化学平衡常数的概念及应用

摘 要：化学平衡常数是理解和分析化学反应达到平衡状态时的关键参数.本文详细阐述了化学平衡常数的表达式和计算方法，探讨了化学平衡常数在判断化学反应方向和限度，以及计算转化率与产率等方面的实际应用，同时总结了化学平衡常数在化学领域中的重要地位.

关键词：化学平衡常数；反应方向；反应限度；转化率；产率

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）34-0118-03

收稿日期：2024-09-05

作者简介：曹盼盼（1989.10—），女，江苏省淮安人，本科，高中二级教师，从事高中化学教学研究.

化学平衡常数是描述化学反应达到平衡时，生成物与反应物浓度之间关系的物理量[1]，它对于理解化学反应的本质、判断反应的方向和限度、优化反应条件等方面具有重要意义.本文旨在全面介绍化学平衡常数的概念、表达式、计算方法及其在实际应用中的价值，以期为化学教学和研究提供参考.

1 化学平衡常数的表达式及K的计算

对于可逆反应mA+nBpC+qD，其平衡常数的表达式是基于反应物和生成物在平衡时的浓度来定义的.具体来说，化学平衡常数的表达式为K=［c（C）］p·［c（D）］q［c（A）］m·［c（B）］n，其中c（A）、c（B）、c（C）、c（D）分别表示在平衡时四种物质的浓度，m、n、p、q分别是反应物和生成物在化学方程式中的化学计量数.

例1 25 ℃时，Cl2+H22HCl，K1=2.57×1033；Br2+H22HBr，K2=1.91×1019；Cl2+2HBr2HCl+Br2，K3，则下列说法正确的是（" ）.

A.HBr的电子式为H：Br

B.增加氯气浓度，可使K3增大

C.反应平衡常数关系为K3=K1×K2

D.相同条件下，Cl2与H2反应进行程度较Br2与H2的大

解析 化学平衡常数只跟温度有关，增加氯气浓度，不能改变平衡常数K3，故B错误；25 ℃时，

（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错误；比较K1和K2，则相同条件下，Cl2与H2反应进行程度较Br2与H2的大，故D正确.

例2 一定温度下，某可逆反应mA（g）+nB（g）pC（g），其平衡常数K的定义及计算方式说法正确的是（" ）.

A.K=cm（A）·cn（B）cp（C）

B.若反应中各项系数满足m+n=p，则K=1

C.K值越大，则说明反应过程中越有利于的生成，该反应的转化率越大

D.某时刻增大压强，将原容器缩小至原来的一半，如果达新平衡时，的浓度变为原来的1.5倍，则m+ngt;p

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

只能说明该反应为等体积反应，无法说明K=1，故B错误；K值越大，说明该反应的程度越大，平衡时反应物的转化率也越大，故C正确；增大压强压缩反应器的容积到原来的一半，假如平衡不移动，则C的浓度为原来的2倍，然而新平衡状态时，C的浓度变为原来的1.5倍，说明化学平衡逆向移动，因此m+nlt;p，D错误.故选C.

2 化学反应的方向和限度

化学平衡常数K可用于判断化学反应的方向和限度.当浓度积Q小于K时，反应向正反应方向进行；Q等于K时，反应处于平衡状态；Q大于K时，反应向逆反应方向进行.K值越大，正向反应进行的程度越大，即反应进行得越完全，反应物转化率越高［2］.

例3 将E和F加入一个密闭容器中，一定条件下发生如下反应：E（s）+4F（g）G（g），其平衡常数值随温度的变化情况如表1所示.则下列说法正确的是（" ）.

解析 相同温度下，G（g）E（s）+4F（g）与E（s）+4F（g）G（g）互为逆反应，故其平衡常数互为倒数，因此，25 ℃时，反应G（g）E（s）+4F（g）的平衡常数值是15×104=2×10-5，故B错误；此时浓度商Qc=0.50.54=8gt;K=2，因此反应逆向进行，v（正）lt;v（逆），故C错误；恒温恒容下，充入气体则为增大压强，平衡正向移动，达新平衡时，G的体积百分含量将增大，D正确.故选D.

3 平衡常数与转化率、产率的联系

平衡常数、转化率之间的联系在于它们都可表示可逆反应进行的程度.其中，平衡常数不受浓度影响，而转化率随反应物初始浓度变化，在一定条件下，平衡常数与转化率可相互求算.

例4 特定温度T下，某可逆反应X（g）+Y（g）2Z（g）

的平衡常数为0.25，小明将10 mol的Z（g）通入体积为10 L的密闭容器中，调整试验温度至T，则Z（g）的最大分解率接近于（" ）.

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

解析 在一定温度下，反应X（g）+Y（g）2Z（g）的平衡常数为0.25，逆反应2Z（g）X（g）+Y（g）平衡常数K=10.25=4，根据化学平衡三行计算，起始浓度为10 mol10 L=1 mol·L-1，设Z分解浓度为x，则

2Z（g）X（g）+Y（g）

起始量（mol·L-1）100

变化量（mol·L-1）x0.5x0.5x

平衡量（mol·L-1）1-x0.5x0.5x

平衡常数K=0.5x×0.5x（1-x）2=4；解得x=0.8 mol·L-1，该温度时达到平衡状态达到Z（g）的最大分解率.最大分解率=0.8 mol·L-11 mol·L-1×100%=80%，故选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、完全燃烧的性能以及低烟气排放，被视为一种极具潜力的柴油添加剂应用候选.工厂生产CH2（OCH3）2时，多利用催化剂，将37%的甲醛水溶液和甲醇混合加热，反应原理如下：HCHO+2CH3OH催化剂CH2（OCH3）2+H2O.

（1） 为探究反应时间对产率的影响，小明记录了CH2（OCH3）2的浓度随反应时间变化，如表2所示.计算25～50 min中CH2（OCH3）2的平均生成速率为.

（2） 为探究化学平衡常数（记作ln·K）与温度（T）的关系，小明做了如图1所示的记录，据图1判断，该反应的ΔH0（填“gt;”、“lt;”、“=”）.

（3）假如上述可逆反应在密闭容器中进行，如小明向提升HCHO的转化率，则可以采取的措施为.

A.将容器中的CH2（OCH3）2及时抽取出来；

B.将可逆反应的反应温度进行升高

C.向反应容器中添加适量甲醇

D.缩小原容器体积至原来的一半

（4）更深入的研究揭示：甲醛的滴加速度、反应持续时间、催化剂用量以及搅拌速度等因素，均会对二甲氧基甲烷CH2（OCH3）2在实际工业生产中的产率（该产率并非完全基于平衡状态）产生一定影响.为了单独探究甲醛滴加速度和搅拌速度对产率的具体影响，需要进行针对性的实验分析.小明设计了三组实验如表3所示.

①将表3中的具体实验条件数据补充完整.

②在研究过程中发现，甲醛的滴加速率过慢或过快均会使产率降低.请补充该反应的合成机理：.

解析 （1）25～50 min中CH2（OCH3）2的化学反应速率为v=ΔcΔt=（9.30-9.10）mol·L-150 min-25 min=0.008 mol/（L·min），故答案为0.008 mol/（L·min）.（2）随温度升高，K减小，则正反应方向放热，故ΔHlt;0，故答案为：lt;.（3）使化学平衡向右移动，可提高HCHO转化率，减小生成物浓度，化学平衡向右移动，故A正确.反应放热，升高温度向逆反应方向移动，故B错误.增大甲醇浓度，化学平衡向右移动，故C正确.增大压强，化学平衡向逆反应方向移动，故D错误，答案选AC.（4）①其他条件相同时才能比较甲醛的滴加速率、搅拌速率对产率的影响，即反应时间和催化剂的量相同，反应2为比较的标准，所以反应1和反应3的甲醛滴加速率不同，反应1与反应2相同；反应1和反应3的搅拌速率不同，反应3与反应2搅拌速率不同，故答案如下：

11.02702.5803702.5

②若甲醛滴加速度过快，合成反应易停滞于中间产物HOCH2OCH3阶段，而采用37%浓度的甲醛溶液进行实验时，因其不利于脱水过程，亦难以促使反应平衡向正方向移动，从而导致产物收率下降.故答案为：甲醛滴加速度过快，使合成反应停滞于中间产物HOCH2OCH3阶段，或者实验采用了37%浓度的甲醛溶液，不利于脱水过程，难以促使反应平衡向正方向移动，从而导致产物收率下降.

4 结束语

化学平衡常数是化学反应中重要的物理量之一，它对于理解化学反应的本质、判断反应的方向和限度、优化反应条件等方面具有重要意义.本文详细介绍了化学平衡常数的概念、表达式、计算方法及其在实际应用中的价值，希望能为化学教学和研究提供参考.

参考文献：

［1］陈建托.化学平衡常数几个解题技巧[J].中学化学，2024（01）：38-39.

[2] 张小波.化学平衡常数在高考试题中的华丽转身[J].数理化学习（教研版），2023（07）：8-12.

［责任编辑：季春阳］