平衡正向移动，反应物转化率一定变大吗？

尹传辉　李康　陈诚

化学反应平衡是高考考查的重点。在关于平衡移动和平衡转化率的变化关系的日常教学中，我们发现很多同学容易犯想当然的错误，认为化学平衡正向移动，反应物转化率一定变大。那么事实是否如此呢？

对此，我们需要分情况进行考虑。对于由压强和温度引起的平衡正向移动，由于反应物的初始量不变而转化量变大，因此平衡正向移动，反应物平衡转化率变大。但是对于反应物浓度增加而引起的平衡正向移动，反应物平衡转化率的变化情况则比较复杂。对于后一种情况，我们以高考中常考的两种题型来加以讨论。

只增加一种反应物浓度

如果一个化学反应中反应物有两种或两种以上时，只增加一种反应物浓度，则平衡正向移动，可以提高另一种反应物平衡转化率，但被增加的这种反应物，其平衡转化率反而下降。为什么会出现这种情况呢？下面以恒温恒容的密闭容器中二氧化硫和氧气反应为例。

始态1：c0（SO2）=a mol/L，c0（O2）=b mol/L，反应一段时间达到平衡，记作“平衡态1”，此时，SO2和O2的平衡转化率分别为α（SO2）和α（O2）。

2SO2（g）  +  O2（g） 2SO3（g）

始态1：    c0（SO2）            c0（O2）                   0

平衡态1：     [SO2]           [O2]         [SO3]

始态2：    2c0（SO2）          c0（O2）                 0

向另一个相同的容器通入2c0（SO2）和c0（O2），反应一段时间后达到平衡状态，记作“平衡态2”。和“平衡态1”相比，“平衡态2”肯定正向移动。对O2而言，由于初始量不变，转化量增大，因此α（O2）变大。对SO2而言，初始量增多，转化量也变大，那么SO2的平衡转化率会如何变化呢？此时，我们用分割的思想来加以研究：

我们把SO2分为两等份分别加入容器中，第一份a mol/L 的SO2的转化率就是“平衡态1”中SO2的平衡转化率。第二份a mol/L的SO2加入容器中时，此时O2的浓度为“平衡态1”时氧气的浓度，记作 [O2]，而 [O2]一定小于b mol/L，因此第二份a mol/L的SO2的平衡转化率肯定小于第一份 a mol/L的SO2的平衡转化率，因此“始态2”中2c0（SO2） 的平衡转化率是介于第一份a mol/L SO2的平衡转化率和第二份a mol/L SO2的平衡转化率之间，所以α2（SO2）比α1（SO2） 小。

综上，对于这种只增加一种反应物浓度的情况，我们可以归纳为：只增加一种反应物浓度，可以提高另一种反应物平衡转化率，但被增加的这种反应物平衡转化率反而降低。

【例1】（2021年北京卷）：已知C3H8脱H2制烯烃的反应为C3H8=C3H6+H2。固定C3H8浓度不变，提高CO2浓度，测定出口处C3H6、H2、CO浓度。实验结果如图1所示。

已知：

C3H8（g）+5O2（g）=3O2（g）+4H2O（g） ?H=-2043.9kJ·mol-1

C3H6（g）+O2（g）=3CO2（g）+3H2O（g） ?H=-1926.1kJ·mol-1

H2（g） +O2（g） = H2O（g） ?H= -241.8kJ·mol-1

下列说法不正确的是（ ）

A. C3H8（g） = C3H6（g） + H2（g） ?H= +124kJ·mol-1

B. C3H6、H2的浓度随CO2浓度变化趋势的差异是因为发生了CO2+H2 CO+H2O

C. 相同條件下，提高C3H8对CO2的比例，可以提高C3H8的转化率

D. 如果生成物只有C3H6、H2O、CO、H2，那么入口各气体的浓度c0和出口各气体的浓度符合：3c0（C3H8）+c0（CO2）= 3c（C3H6）+c（CO）+3c（C3H8）+c（CO2）

【解析】选项A，依据盖斯定律分析依据题干信息①C3H8（g）+5O2（g）=3O2（g）+4H2O（g） ?H=-2043.9kJ·mol-1，②C3H6（g）+9/2 O2（g）=3CO2（g）+3H2O（g） ?H=-1926.1kJ·mol-1，③H2（g）+ O2（g）=H2O（g） ?H=-241.8kJ·mol-1知，由①-②-③ 可得到目标反应C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g），?H=+124kJ·mol-1，A正确;选项B，由C3H8（g）=C3H6（g）+H2（g）可知C3H6、H2的浓度变化趋势应该是一致的，依图像观察氢气的变化不明显，反而是CO与C3H6的变化趋势是一致的，因此可以推断高温下能够发生反应CO2+H2 CO+H2O，这样才能使C3H6、H2的浓度随CO2浓度变化趋势出现这样的差异，B正确;选项C，增大C3H8对CO2的比例，可以看作是增大C3H8的浓度，只增加一种反应物浓度，可以提高另一种反应物转化率，但被增加的这种反应物转化率反而降低，据此很容易就能判断出C3H8的转化率会降低，所以C错误;依据碳原子守恒即可做出判断，如果生成物只有C3H6、H2O、CO、H2，那么很显然得出浓度关系符合：3c0（C3H8）+c0（CO2）= 3c（C3H6）+c（CO）+3c（C3H8）+c（CO2），D正确。

CO2催化加氢制取甲醇的研究，对于环境、能源问题都具有重要的意义。反应如下：

反应ⅰ：CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ?H1= -58 kJ·mol-1

反应ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g） ?H2= +42 kJ·mol-1

下列说法不正确的是（ ）

A.增大氢气浓度能提高二氧化碳的转化率

B.增大压强，有利于向生成甲醇的方向进行，反应ⅰ的平衡常数增大

C.升高温度，生成甲醇的速率加快，反应ⅱ的限度同时增加

D.选用理想的催化剂可以提高甲醇在最终产物中的比率

同等幅度增加反应物浓度

如果同等幅度增加所有反应物的浓度，平衡会怎样移动？平衡转化率又该如何变化呢？我们还以2SO2（g）+ O2（g） 2SO3（g）为例：

2SO2（g）  +  O2（g） 2SO3（g）

始态1：    c0（SO2）      c0（O2）             0

平衡态1：     [SO2]          [O2]           [SO3]

始態2：    2c0（SO2）     2c0（O2）          0

假设“始态1”的平衡转化率与“始态2”的平衡转化率相等，即α1=α2，则“平衡态2”时各物质的浓度为：2[SO2] 、2[O2] 、2[SO3]，当然这个“平衡态2”是我们假设的平衡态，假设是否成立，我们需要通过计算加以判断：

该反应的平衡常数K1=。假设的“平衡态2”的Q2==K1，因为温度没变，所以假设不成立，而假设不成立的结果是导致平衡正向移动，所以有α2（SO2）>α1（SO2），α2（O2）>α1（O2）。

而同样同等幅度增加反应物浓度，以H2（g） + I2（g） 2HI（g）例，这个反应的反应物平衡转化率变化情况又不一样：

H2（g）  +  I2（g） 2HI（g）

始态1：      c0（H2）      c0（I2）            0

平衡态1：       [H2]         [I2]             [HI]

始态2：     2c0（H2）    2c0（I2）           0

假设“始态1”和“始态2”的反应物平衡转化率相等，则“平衡态2”时各物质浓度为：2[H2] 、2[I2] 、2[HI]，同样的假设是否成立呢？我们来计算一下，该反应的平衡常数K1=，假设的“平衡态2”的Q2==K1，说明假设成立，所以有α2（H2）=α1（H2），α2（I2）=α1（I2）。

还是同等幅度的增加反应物浓度，对于反应A（g） + B（g） 3C（g），反应物平衡转化率会如何变化呢？

A（g）  +  B（g）   3C（g）

始态1：       c0（A）     c0（B）              0

平衡态1：         [A]        [B]              [C]

始态2：       2c0（A）   2c0（B）            0

平衡态2：        2[A]      2[B]            2[C]

假设反应物平衡转化率不变，则有上述“平衡态2”。针对这种情况，假设是否成立，也要通过计算来判断。该反应的平衡常数K1=，假设的“平衡态2”的Q2==2K1，假设不成立，不成立导致的结果是使平衡逆向移动，所以有α2（A）<α1（A），α2（B）<α1（B）。

综上，同样的同等幅度增加反应物的浓度，反应都正向进行，但有的反应的反应物平衡转化率增加，有些反应的反应物平衡转化率降低，而有些反应的反应物平衡转化率不变。针对这种情况，我们以任意的一个反应mA（g）+ nB（g）pC（g）+qD（g）为例来研究一下同等幅度增加反应物浓度，反应物平衡转化率的变化规律。

mA（g）  +  nB（g）   pC（g）  +  qD（g）

始态1：   c0（A）        c0（B）                 0             0

平衡态1：      [A]            [B]                 [C]          [D]

始態2： 2c0（A）       2c0（B）                0             0

平衡态2：    2[A]           2[B]               2[C]        2[D]

假设“始态2”反应物的平衡转化率和“始态1”相同，则有上述“平衡态2”。对该反应而言，K1=，而假设的平衡态2的Q2==K1，下面分情况讨论：

（1）若q+p>m+n，则Q2>K1，假设不成立，导致的结果是平衡逆向移动，所以有α2<α1;

（2）若q+p=m+n，则Q2=K1，假设成立，所以有α2=α1;

（3）若q+pα1。

把上述计算结果转化为好理解的语言就是：若正反应是一个气体体积减小的反应，同等幅度增加反应物的浓度，平衡正向移动，反应物平衡转化率增加;若正反应是一个反应前后气体体积不变的反应，同等幅度增加反应物浓度，平衡不移动，反应物平衡转化率不变;而若正反应是一个气体体积增加的反应，同等幅度增加反应物浓度，平衡逆向移动，反应物平衡转化率减小。

【例2】（2020·全国卷节选）二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。

回答下列问题：

CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比n（C2H4）：n（H2O）=__________。当反应达到平衡时，若增大压强，则n（C2H4）___________（填“变大”“变小”或“不变”）。

解析：依据题干信息反应物为二氧化碳和氢气，生成物为乙烯和水，然后书写出化学方程式，利用氧化还原反应中得失电子守恒配平方程式：2CO2+6H2=C2H4+4H2O，显然反应后产物乙烯和水的物质的量之比为1∶4，当反应达到平衡后增大压强相当于同等倍数增大反应物浓度，2CO2+6H2=C2H4+4H2O正向是一个气体体积减小的反应，增大压强平衡会向气体体积减小的方向移动，即正向移动，反应物平衡转化率增大，所以n（C2H4）会变大。

某科研小组利用如下反应消除NO和CO的污染：2NO（g）+2CO（g）N2（g）+2CO2（g） ?H1=x kJ·mol-1。 T℃时，在容积为2L的恒容密闭容器中充入2molNO和2molCO，保持温度不变，5min时达到平衡状态，此时c（N2）=0.4mol/L。下列说法中不正确的是（ ）

A. x<0

B. α（NO）=80%

C. 0—5min内，V（CO）=0.16mol/（L·min）

D.保持温度不变，若再向上述平衡体系中充入2molNO和2molCO，重新达平衡时，c（N2）=0.8mol/L

反应物平衡转化率的问题有规律可循，在做题时只要熟练掌握总结的规律并加以应用，这类题目就能又快又准地做出来。这种判断平衡移动方向和反应物转化率变化情况还可以应用到水溶液中，根据其反应前后微粒数目的变化情况来判断稀释或浓缩对平衡移动和平衡转化率判断，即溶液稀释平衡向微粒数增加的方向移动，溶液浓缩平衡向微粒数减少的方向移动。例如：取一支试管，向其中加入5ml 1.0mol/L的Na2CO3溶液，溶液中碳酸根会存在一个水解平衡：CO32-+H2O=HCO3-+OH-，正向是一个微粒数增加的反应，依据水溶液中平衡移动规律可知，如果向试管中再加入5ml水进行稀释，CO32-水解平衡会正向移动，CO32-水解的平衡转化率也会随之增大。