合成氨为什么总有剩余的原料？
2.6.7 节说过，合成氨的产率达不到 100%。把 1 mol N₂ 和 3 mol H₂ 放进密闭容器，不管等多久，也得不到 2 mol NH₃：容器里总是 N₂、H₂ 和 NH₃ 共存。这是因为 NH₃ 生成的同时，也在分解。
可逆反应
在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应，叫做可逆反应reversible reaction，用“⇌”表示：
从左到右叫正反应，从右到左叫逆反应。2.7.5 节的弱电解质电离（如 CH₃COOH ⇌ CH₃COO⁻ + H⁺）、氯气和水的反应、SO₂ 和 O₂ 生成 SO₃ 的反应，也都是可逆反应。可逆反应中，反应物不能全部转化为生成物。
化学平衡状态
在密闭容器中进行可逆反应：开始时反应物的浓度最大，正反应速率最大，逆反应速率为零；随着反应进行，正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大。当两者相等时，反应物和生成物的浓度都不再改变，体系达到化学平衡状态chemical equilibrium，简称化学平衡。
化学平衡的特征常用五个字概括：
- 逆： 研究的对象是可逆反应。
- 等： v(正) = v(逆)。
- 动： 正、逆反应仍在进行，速率相等但不为零，是动态平衡dynamic equilibrium。
- 定： 各组分的浓度（或质量、物质的量）保持不变。
- 变： 条件改变，平衡会被破坏，在新的条件下建立新的平衡（2.11.5 节）。
同一个反应，在相同的条件下，从正反应开始或从逆反应开始，都能达到同一个平衡状态。下面以 25 °C 时的 N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 为例（NO₂ 是红棕色，N₂O₄ 无色），分别从三种起点出发：
怎样判断已经达到平衡
判断的依据只有两条：v(正) = v(逆)，或者各组分的浓度不再变化。具体用的时候要注意：
- 用不同物质的速率判断时，必须一个是正反应、一个是逆反应，而且数值之比等于计量数之比。
- 平衡时各物质的浓度不一定相等，也不一定等于计量数之比。
- 容积不变时，如果反应前后气体的分子数不同，总压不变说明已达平衡；分子数相同时，总压始终不变，不能作为依据。
和美国教材的不同
- 美国教材同样用“⇌”，强调“相等的是速率，不是浓度”（rates are equal, not concentrations）。
- 人教版用“逆、等、动、定、变”概括平衡的特征，并有一类专门的“判断是否达到平衡”的选择题；美国教材更多用浓度–时间图和粒子图来考查。
- AP 用 forward reaction、reverse reaction，平衡常常被描述为“正、逆反应速率相等的状态”。
例题 1：判断是否达到平衡
在容积不变的密闭容器中进行 N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)。下列哪些情况说明反应已达平衡？（1）单位时间内消耗 n mol N₂，同时生成 2n mol NH₃；（2）单位时间内消耗 3n mol H₂，同时消耗 2n mol NH₃；（3）c(N₂) : c(H₂) : c(NH₃) = 1 : 3 : 2；（4）容器内的总压不再变化。
- 两个判断依据。 一是 v(正) = v(逆)：要有一个正反应、一个逆反应，换算成同一种物质后相等。二是“变量不变”：一个本来会随反应变化的量，不再变化了。
- （1）不能。 消耗 N₂ 和生成 NH₃ 都是正反应，任何时候都满足 1 : 2，说明不了正、逆反应速率相等。
- （2）能。 消耗 H₂ 是正反应，消耗 NH₃ 是逆反应。把消耗 3n mol H₂ 换算成 NH₃：相当于生成 2n mol NH₃，和消耗的 2n mol NH₃ 相等，说明 v(正) = v(逆)。
- （3）不能。 平衡时各物质的浓度之比不一定等于计量数之比，它取决于起始的量。
- （4）能。 反应前后气体的分子数不同（4 → 2），容积不变时总压会随反应变化，是一个“变量”。它不再变化，说明各物质的量都不再变化。
- 常见错误。 对 H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) 也用“总压不变”判断。这个反应前后气体分子数相等，总压始终不变，不能作为平衡的标志。
例题 2：从两边出发
25 °C 时，在 1 L 的密闭容器中分别放入：甲，0.040 mol N₂O₄；乙，0.080 mol NO₂。足够长时间后，两个容器中的平衡状态有什么关系？
-
原子守恒。 0.080 mol NO₂ 全部合成 N₂O₄，正好是 0.040 mol，所以甲、乙两个容器里 N、O 原子的量完全相同。
-
方向不同。 甲从正反应开始，N₂O₄ 分解，颜色逐渐变深；乙从逆反应开始，NO₂ 合成 N₂O₄，颜色逐渐变浅。
-
结果相同。 温度、容积相同，两个容器最后达到同一个平衡状态，颜色也相同。
-
用三段式算出平衡浓度（学完 2.11.4 节再看）。 25 °C 时 N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 的 K = 6.25 × 10⁻³。设甲中有 x mol/L N₂O₄ 分解：
（mol/L） N₂O₄ NO₂ 起始 0.040 0 变化 −x +2x 平衡 0.040 − x 2x 代入 K：
-
解方程。 去分母、整理，得一元二次方程：
用求根公式取正根，x = 7.16 × 10⁻³ mol/L：
-
乙也一样。 设乙中生成 y mol/L N₂O₄，则平衡时 c(N₂O₄) = y，c(NO₂) = 0.080 − 2y。代入同一个 K 解得 y = 0.0328，和甲的结果完全相同。
- N₂ 的浓度不再变化
各组分的浓度不变，是平衡的标志。
- c(N₂) : c(H₂) : c(NH₃) = 1 : 3 : 2
平衡时的浓度之比不一定等于计量数之比。
- 单位时间内生成 1 mol N₂，同时生成 2 mol NH₃
生成 N₂ 是逆反应，生成 NH₃ 是正反应，1 : 2 正好等于计量数之比，v(正) = v(逆)。
- 单位时间内消耗 1 mol N₂，同时生成 2 mol NH₃
两者都是正反应，任何时候都是 1 : 2。
- 容器内的总压强不再变化
反应前后气体分子数不同，总压不变说明各物质的量不变。
- 混合气体的密度不再变化
气体总质量不变，容积也不变，密度始终不变，不能作为依据。
- v正(H₂) = 3v逆(N₂)
一正一逆，比值 3 : 1 等于计量数之比，说明 v(正) = v(逆)。
- N₂ 和 H₂ 全部转化为 NH₃
可逆反应不能进行到底，这种情况不会出现。
常见误区
误区 1：“达到平衡时，反应就停止了。” 化学平衡是动态平衡：正、逆反应仍在进行，只是速率相等，各物质的浓度不再变化。
误区 2：“平衡时，反应物和生成物的浓度相等。” 平衡的标志是浓度不再变化，而不是浓度相等。平衡时可能反应物多，也可能生成物多。
误区 3：“氢气燃烧生成水，水电解又生成氢气和氧气，所以这是可逆反应。” 两个反应的条件不同（点燃和通电），不是在同一条件下同时进行，不是可逆反应。
即时小测
下列反应中，属于可逆反应的是？
合成氨在同一条件下正、逆反应同时进行。燃烧和电解的条件不同，不是可逆反应。
化学平衡状态的本质特征是？
平衡时正、逆反应速率相等但不为零，所以各物质的浓度保持不变。
小结
- 可逆反应在同一条件下同时向正、逆两个方向进行，用“⇌”表示，反应物不能完全转化。
- 化学平衡：v(正) = v(逆) ≠ 0，各组分的浓度保持不变；是动态平衡。从正、逆两个方向都能达到同一个平衡。
- 判断平衡：一正一逆、速率之比等于计量数之比；或者“变量”不再变化。始终不变的量不能作为依据。
通往 AP（以后再看）
AP 7.1 要求从浓度–时间图和速率–时间图读出何时达到平衡，并说明平衡时正、逆反应速率相等，但浓度一般不相等。AP 7.2 讨论可逆反应的方向：平衡可以从任意一边达到。答题时常用的说法是“the rates of the forward and reverse reactions are equal”。