在化學研究和化工生產(chǎn)中，只考慮化學反應速率是不夠的，還需要考慮化學反應所能達到的最大限度。例如，在合成氨工業(yè)中，除了要考慮使N2和H2盡可能快地轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3外，還要考慮使N2和H盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，這就涉及到化學反應進行的程度問題??化學平衡�；瘜W平衡主要是研究可逆反應規(guī)律的，如反應進行的程度以及各種條件對反應進行程度的影響等。
一、化學平衡的建立
在一定溫度下，當把適量蔗糖晶體溶解在水里時，一方面，蔗糖分子不斷離開蔗糖表面擴散到水里去；另一方面，溶解在水里的蔗糖分子不斷地在未溶解的蔗糖表面聚集成為晶體，當這兩個相反過程的速率相等時，蔗糖的溶解達最大限度，形成蔗糖的飽和溶液。此時，我們說達到溶解平衡狀態(tài)，如圖3－4所示。在溶解平衡狀態(tài)，溶解和結(jié)晶的過程并沒有停止，只是速率相等罷了，因此，溶解平衡狀態(tài)是一種動態(tài)平衡狀態(tài)。
可逆反應的情形又是怎樣的呢？我們可以通過CO與H2O（g）的反應來進行研究：
CO+H2O（g）CO2+H2
將0.01molCO和0.01molH2O（g）通入容積為1L的密閉容器里，在催化劑存在的條件下加熱到800℃，結(jié)果生成了0.005molCO2和0.005molH2，而反應物CO和H2O（g）各剩余0.005mol。如果溫度不變，反應無論進行多長時間，容器里混合氣體中各種氣體的濃度都不再發(fā)生變化。
我們可以用可逆反應中正反應速率和逆反應速率的變化來說明上面的過程，如圖3－5所示。
當反應開始時，CO和H2O（g）的濃度最大，因而它們化合生成CO2和H2的正反應速率最大；而CO2和H2的起始濃度為零，因而它們反應生成CO和H2O（g）的逆反應速率也為零。以后，隨著反應的進行，反應物CO和H2O（g）的濃度逐漸減小，正反應的速率就逐漸減小；生成物CO2和H2的濃度逐漸增大，逆反應的速率就逐漸增大。
如果外界條件不發(fā)生變化，化學反應進行到一定程度的時候，正反應速率和逆反應速率相等，此時，化學反應進行到最大限度，反應物和生成物的濃度不再發(fā)生變化，反應物和生成物的混合物（簡稱反應混合物）就處于化學平衡狀態(tài)，簡稱化學平衡。
實驗證明，如果不是從CO和H2O（g）開始反應，而是各取0.01molCO2和0.01molH2，以相同的條件進行反應，生成CO和H2O（g），當達到化學平衡狀態(tài)時，反應混合物里CO、H2O（g）、CO2、H2各為0.005mol，其組成與前者完全相同。
當反應達到平衡的時候，正反應和逆反應都仍在繼續(xù)進行，只是由于在同一瞬間，正反應生成CO2和H2的分子數(shù)和逆反應所消耗的CO2和H2的分子數(shù)相等，亦即正、逆反應的速率相等，因此反應混合物中各組分的濃度不變。由此可見，化學平衡是一種動態(tài)平衡。
綜上所述，化學平衡狀態(tài)是指在一定條件下的可逆反應里，正反應和逆反應的速率相等，反應混合物中各組分的濃度保持不變的狀態(tài)。
討論
高爐煉鐵中Fe2O3+3CO2Fe+3CO2是一個可逆反應。在19世紀后期，人們發(fā)現(xiàn)煉鐵高爐所排出的高爐氣中含有相當量的CO，有的工程師認為，這是由于CO和鐵礦石的接觸時間不夠長所造成的，于是在英國耗費了大量資金建造了一個高大的煉鐵高爐，以增加CO和鐵礦石的接觸時間。可是后來發(fā)現(xiàn)，用這個高爐煉鐵，所排出的高爐氣中CO的含量并沒有減少。試應用化學平衡的理論來分析，為什么用增加高爐高度的辦法不能減少煉鐵高爐氣中CO的含量？
二、化學平衡常數(shù)
為了進一步了解可逆反應達到化學平衡狀態(tài)時的特征，對于反應
CO+H2O（g）CO2+H2
可以進行以下的實驗。設在4個1L的密閉容器里，分別通入不同物質(zhì)的量的CO、H2O（g）、CO2和H2，把4個密閉容器都加熱到800℃，經(jīng)過足夠長的時間后，如果這4個容器里的4種物質(zhì)的濃度不再隨時間的改變而改變，那么，容器里的反應混合物就都達到了化學平衡。把實驗測得的平衡濃度等數(shù)據(jù)列在表3－1里。
表3-1CO+H2O(g)CO2+H2反應中起始和
平衡時各物質(zhì)的濃度(800℃)
起始時各物質(zhì)的濃度mol?L-1平衡時各物質(zhì)的濃度mol?L-1平衡時
c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)c(CO)c(H2O)c(CO2)c(H2)
0.010.01000.0050.0050.0050.0051.0
000.020.010.00670.00670.01330.00331.0
0.00250.030.00750.00750.00210.02960.00790.00791.0
0.010.03000.00250.02250.00750.00751.0
為了研究平衡混合物中各物質(zhì)濃度之間的關系，我們把平衡混合物中各生成物的濃度乘積作為分子，把各反應物的濃度乘積作為分母，求其比，該比也列在表3－1里。分析表3－1中的實驗數(shù)據(jù)，可以得出如下的結(jié)論：
在一定溫度下，可逆反應無論從正反應開始，還是從逆反應開始，又無論反應物起始濃度的大小，最后都能達到化學平衡。這時生成物的濃度乘積除以反應物的濃度乘積所得到的比是個常數(shù)，這個常數(shù)叫做該反應的化學平衡常數(shù)，簡稱平衡常數(shù)。平衡常數(shù)用符號K表示。例如，在800℃時，
從平衡常數(shù)K的大小，可以推斷反應進行的程度。K越大，表示化學反應達到平衡時生成物濃度對反應物濃度的比值越大，也就是反應進行的程度越大，反應物的轉(zhuǎn)化率②也越大。反之，K越小，表示反應進行的程度越小，反應物的轉(zhuǎn)化率也越小。
可逆反應的平衡常數(shù)并不隨反應物或生成物濃度的改變而改變，但隨溫度的改變而改變。例如反應
H2（g）+I2（g）2HI（g）
在不同溫度時，其平衡常數(shù)如表3－2所示：
表3-2不同溫度時，反應H2(g)+I2(g)2HI(g)
的平衡常數(shù)
溫度/℃350425490
平衡常數(shù)66.954.445.9
因此，在使用平衡常數(shù)時，必須注意是在哪一溫度下進行的可逆反應。
習題
一、選擇題
1．在一定條件下，使NO和O2在一密閉容器中進行反應，下列說法中不正確的是[]
A．反應開始時，正反應速率最大，逆反應速率為零
B．隨著反應的進行，正反應速率逐漸減小，最后為零
C．隨著反應的進行，逆反應速率逐漸增大，最后不變
D．隨著反應的進行，正反應速率逐漸減小，最后不變
2．在一定條件下，對于密閉容器中進行的反應
A（g）+B（g）C（g）+D（g）
下列說法中可以充分說明這一反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài)的是[]
A．A、B、C、D的濃度相等
B．A、B、C、D在密閉容器中共存
C．A、B、C、D的濃度不再變化
D．用A的濃度表示的化學反應速率與用B的濃度表示的化學反應速率相等
3．對于密閉容器中進行的反應
2SO2+O22SO3
如果溫度保持不變，下列說法中正確的是[]
A．增加SO2的濃度，正反應速率先增大，后保持不變
B．增加SO2的濃度，正反應速率逐漸增大
C．增加SO2的濃度，平衡常數(shù)增大
D．增加SO2的濃度，平衡常數(shù)不變
二、在一定條件下，對于在密閉容器中進行的反應
H2+I22HI
說明下列示意圖所表示的涵義。
三、在425℃時，在1L密閉容器中進行的反應
H2+I22HI
達到平衡，分別說明下列示意圖所表示的涵義，由圖中的事實可以說明化學平衡具有哪些特征。
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