在动态平衡(dynamic equilibrium)时,正反应和逆反应以相同的速率继续进行,所以反应物和生成物的量保持不变。反应并没有停止。考官通常想看到“动态”这个词,你要做的是证明你知道原因。
这节课紧接用符号表示可逆反应,并为可逆反应与化学平衡中的预测平衡移动打下基础。
到底发生了什么?
从密封容器中的可逆反应说起。一开始只有反应物,所以只有正反应能发生,而且速率最快。随着生成物增多,逆反应开始并逐渐加快,同时正反应因为反应物被消耗而变慢。
最后,两个速率变得相等。从那时起,每一刻生成的每个生成物粒子,都有一个被分解的粒子与之对应。混合物看起来没有变化,其实一直很忙碌。
一个有帮助的比喻
想象两层楼之间的双向电动扶梯,每分钟两端上扶梯的人数相同。每层楼的人数保持不变,但人一直在移动。
这个比喻有用,但只是比喻。真正准确的说法,是关于反应速率和浓度的。
动态平衡的条件
- 系统是封闭的:没有物质进出。
- 反应是可逆的。
- 温度保持稳定(其他条件也一样)。
- 正反应与逆反应的速率相等。
- 结果是浓度保持不变(不是相等)。
例题
二氧化氮和四氧化二氮在恒温的密封注射器里。几分钟后,颜色不再变化。有学生写道:“因为颜色不变,所以反应已经停止。”请写出正确的解释。
第 1 步,说出状态: 混合物已经达到动态平衡。
第 2 步,说出什么保持不变: N₂O₄ 和 NO₂ 的浓度保持不变,所以颜色稳定。
第 3 步,说出原因: 正反应 N₂O₄ → 2NO₂ 的速率等于逆反应 2NO₂ → N₂O₄ 的速率。
第 4 步,说出条件: 这是因为注射器是密封的,气体无法逸出。
参考答案: “系统处于动态平衡。正反应和逆反应仍以相同速率进行,所以 NO₂ 和 N₂O₄ 的浓度不变,颜色保持恒定。系统是封闭的。”
需要留意的错误
错误就是“反应停止”这句话,还有一个近亲:“量是相等的”。
错误答案: “平衡时反应物和生成物的量相同,因为反应停止了。”
两部分都错。量是恒定的,不一定相等;而且反应仍在继续。
更正:“平衡时,正反应和逆反应的速率相等,所以反应物和生成物的量保持不变。”一个快速的检验方法:描述速率用哪个词(相等),描述量用哪个词(不变)。
自我检测
1. 说出可逆反应达到动态平衡所需的两个条件。
查看答案
以下任意两个:系统是封闭的;反应是可逆的;温度和压强保持稳定。有些答案也接受“正逆反应速率相等”,但那是结果而不是条件。
2. 解释为什么密封的 N₂O₄/NO₂ 混合物在反应仍然进行时,颜色可以保持不变。
查看答案
正反应和逆反应速率相同,所以 NO₂ 生成得和消耗得一样快。NO₂ 的浓度因此保持不变,颜色也不变。
3. 在敞口烧杯里进行一个会放出气体的反应。为什么它永远无法达到动态平衡?
查看答案
气体逸散到周围,逆反应无法以相同的速率进行。系统是敞开的,各物质的量会持续变化,无法稳定下来。
接下来学什么
含义掌握后,继续学预测指定条件改变后的平衡移动。关于速率的推理也和反应速率相连。
如果你懂平衡,但书面解释还是失分,线上一对一化学补习的老师可以和你一起检查措辞。