化學平衡常數的概念及應用

摘 要：化學平衡常數是理解和分析化學反應達到平衡狀態時的關鍵參數.本文詳細闡述了化學平衡常數的表達式和計算方法，探討了化學平衡常數在判斷化學反應方向和限度，以及計算轉化率與產率等方面的實際應用，同時總結了化學平衡常數在化學領域中的重要地位.

關鍵詞：化學平衡常數；反應方向；反應限度；轉化率；產率

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）34-0118-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：曹盼盼（1989.10—），女，江蘇省淮安人，本科，高中二級教師，從事高中化學教學研究.

化學平衡常數是描述化學反應達到平衡時，生成物與反應物濃度之間關系的物理量[1]，它對于理解化學反應的本質、判斷反應的方向和限度、優化反應條件等方面具有重要意義.本文旨在全面介紹化學平衡常數的概念、表達式、計算方法及其在實際應用中的價值，以期為化學教學和研究提供參考.

1 化學平衡常數的表達式及K的計算

對于可逆反應mA+nBpC+qD，其平衡常數的表達式是基于反應物和生成物在平衡時的濃度來定義的.具體來說，化學平衡常數的表達式為K=［c（C）］p·［c（D）］q［c（A）］m·［c（B）］n，其中c（A）、c（B）、c（C）、c（D）分別表示在平衡時四種物質的濃度，m、n、p、q分別是反應物和生成物在化學方程式中的化學計量數.

例1 25 ℃時，Cl2+H22HCl，K1=2.57×1033；Br2+H22HBr，K2=1.91×1019；Cl2+2HBr2HCl+Br2，K3，則下列說法正確的是（" ）.

A.HBr的電子式為H：Br

B.增加氯氣濃度，可使K3增大

C.反應平衡常數關系為K3=K1×K2

D.相同條件下，Cl2與H2反應進行程度較Br2與H2的大

解析 化學平衡常數只跟溫度有關，增加氯氣濃度，不能改變平衡常數K3，故B錯誤；25 ℃時，

（1）Cl2+H22HCl，K1=2.57×1033，（2）Br2+H22HBr，K2=1.91×1019，（1）-（2）得到Cl2+2HBr2HCl+Br2，K3=c2（HCl）c（Br2）c2（HBr）×c（Cl2）=K1K2，故C錯誤；比較K1和K2，則相同條件下，Cl2與H2反應進行程度較Br2與H2的大，故D正確.

例2 一定溫度下，某可逆反應mA（g）+nB（g）pC（g），其平衡常數K的定義及計算方式說法正確的是（" ）.

A.K=cm（A）·cn（B）cp（C）

B.若反應中各項系數滿足m+n=p，則K=1

C.K值越大，則說明反應過程中越有利于的生成，該反應的轉化率越大

D.某時刻增大壓強，將原容器縮小至原來的一半，如果達新平衡時，的濃度變為原來的1.5倍，則m+ngt;p

解析 由方程式可知K=cp（C）cm（A）·cn（B），故A錯誤；若m+n=p，

只能說明該反應為等體積反應，無法說明K=1，故B錯誤；K值越大，說明該反應的程度越大，平衡時反應物的轉化率也越大，故C正確；增大壓強壓縮反應器的容積到原來的一半，假如平衡不移動，則C的濃度為原來的2倍，然而新平衡狀態時，C的濃度變為原來的1.5倍，說明化學平衡逆向移動，因此m+nlt;p，D錯誤.故選C.

2 化學反應的方向和限度

化學平衡常數K可用于判斷化學反應的方向和限度.當濃度積Q小于K時，反應向正反應方向進行；Q等于K時，反應處于平衡狀態；Q大于K時，反應向逆反應方向進行.K值越大，正向反應進行的程度越大，即反應進行得越完全，反應物轉化率越高［2］.

例3 將E和F加入一個密閉容器中，一定條件下發生如下反應：E（s）+4F（g）G（g），其平衡常數值隨溫度的變化情況如表1所示.則下列說法正確的是（" ）.

解析 相同溫度下，G（g）E（s）+4F（g）與E（s）+4F（g）G（g）互為逆反應，故其平衡常數互為倒數，因此，25 ℃時，反應G（g）E（s）+4F（g）的平衡常數值是15×104=2×10-5，故B錯誤；此時濃度商Qc=0.50.54=8gt;K=2，因此反應逆向進行，v（正）lt;v（逆），故C錯誤；恒溫恒容下，充入氣體則為增大壓強，平衡正向移動，達新平衡時，G的體積百分含量將增大，D正確.故選D.

3 平衡常數與轉化率、產率的聯系

平衡常數、轉化率之間的聯系在于它們都可表示可逆反應進行的程度.其中，平衡常數不受濃度影響，而轉化率隨反應物初始濃度變化，在一定條件下，平衡常數與轉化率可相互求算.

例4 特定溫度T下，某可逆反應X（g）+Y（g）2Z（g）

的平衡常數為0.25，小明將10 mol的Z（g）通入體積為10 L的密閉容器中，調整試驗溫度至T，則Z（g）的最大分解率接近于（" ）.

A.50% B.80% C.88% D.95%

解析 在一定溫度下，反應X（g）+Y（g）2Z（g）的平衡常數為0.25，逆反應2Z（g）X（g）+Y（g）平衡常數K=10.25=4，根據化學平衡三行計算，起始濃度為10 mol10 L=1 mol·L-1，設Z分解濃度為x，則

2Z（g）X（g）+Y（g）

起始量（mol·L-1）100

變化量（mol·L-1）x0.5x0.5x

平衡量（mol·L-1）1-x0.5x0.5x

平衡常數K=0.5x×0.5x（1-x）2=4；解得x=0.8 mol·L-1，該溫度時達到平衡狀態達到Z（g）的最大分解率.最大分解率=0.8 mol·L-11 mol·L-1×100%=80%，故選B.

例5 二甲氧基甲烷［CH2（OCH3）2］ 因其出色的水溶性、高含氧量特性、完全燃燒的性能以及低煙氣排放，被視為一種極具潛力的柴油添加劑應用候選.工廠生產CH2（OCH3）2時，多利用催化劑，將37%的甲醛水溶液和甲醇混合加熱，反應原理如下：HCHO+2CH3OH催化劑CH2（OCH3）2+H2O.

（1） 為探究反應時間對產率的影響，小明記錄了CH2（OCH3）2的濃度隨反應時間變化，如表2所示.計算25～50 min中CH2（OCH3）2的平均生成速率為.

（2） 為探究化學平衡常數（記作ln·K）與溫度（T）的關系，小明做了如圖1所示的記錄，據圖1判斷，該反應的ΔH0（填“gt;”、“lt;”、“=”）.

（3）假如上述可逆反應在密閉容器中進行，如小明向提升HCHO的轉化率，則可以采取的措施為.

A.將容器中的CH2（OCH3）2及時抽取出來；

B.將可逆反應的反應溫度進行升高

C.向反應容器中添加適量甲醇

D.縮小原容器體積至原來的一半

（4）更深入的研究揭示：甲醛的滴加速度、反應持續時間、催化劑用量以及攪拌速度等因素，均會對二甲氧基甲烷CH2（OCH3）2在實際工業生產中的產率（該產率并非完全基于平衡狀態）產生一定影響.為了單獨探究甲醛滴加速度和攪拌速度對產率的具體影響，需要進行針對性的實驗分析.小明設計了三組實驗如表3所示.

①將表3中的具體實驗條件數據補充完整.

②在研究過程中發現，甲醛的滴加速率過慢或過快均會使產率降低.請補充該反應的合成機理：.

解析 （1）25～50 min中CH2（OCH3）2的化學反應速率為v=ΔcΔt=（9.30-9.10）mol·L-150 min-25 min=0.008 mol/（L·min），故答案為0.008 mol/（L·min）.（2）隨溫度升高，K減小，則正反應方向放熱，故ΔHlt;0，故答案為：lt;.（3）使化學平衡向右移動，可提高HCHO轉化率，減小生成物濃度，化學平衡向右移動，故A正確.反應放熱，升高溫度向逆反應方向移動，故B錯誤.增大甲醇濃度，化學平衡向右移動，故C正確.增大壓強，化學平衡向逆反應方向移動，故D錯誤，答案選AC.（4）①其他條件相同時才能比較甲醛的滴加速率、攪拌速率對產率的影響，即反應時間和催化劑的量相同，反應2為比較的標準，所以反應1和反應3的甲醛滴加速率不同，反應1與反應2相同；反應1和反應3的攪拌速率不同，反應3與反應2攪拌速率不同，故答案如下：

11.02702.5803702.5

②若甲醛滴加速度過快，合成反應易停滯于中間產物HOCH2OCH3階段，而采用37%濃度的甲醛溶液進行實驗時，因其不利于脫水過程，亦難以促使反應平衡向正方向移動，從而導致產物收率下降.故答案為：甲醛滴加速度過快，使合成反應停滯于中間產物HOCH2OCH3階段，或者實驗采用了37%濃度的甲醛溶液，不利于脫水過程，難以促使反應平衡向正方向移動，從而導致產物收率下降.

4 結束語

化學平衡常數是化學反應中重要的物理量之一，它對于理解化學反應的本質、判斷反應的方向和限度、優化反應條件等方面具有重要意義.本文詳細介紹了化學平衡常數的概念、表達式、計算方法及其在實際應用中的價值，希望能為化學教學和研究提供參考.

參考文獻：

［1］陳建托.化學平衡常數幾個解題技巧[J].中學化學，2024（01）：38-39.

[2] 張小波.化學平衡常數在高考試題中的華麗轉身[J].數理化學習（教研版），2023（07）：8-12.

［責任編輯：季春陽］