第 二 章 · 选择性必修第一册

化学反应速率与化学平衡

工业化学的两个灵魂拷问:多快能造出来(速率)?最多能造出多少(平衡)?催化剂让反应快百万倍,平衡常数把"限度"写进公式——本章是化工设计的数学基础。

2.1 化学反应速率

概念v = Δc/Δt

速率用单位时间内浓度变化表示:v = Δc/Δt,单位 mol/(L·s) 或 mol/(L·min)。
速率之比 = 化学计量数之比:N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ 中 v(N₂) : v(H₂) : v(NH₃) = 1 : 3 : 2。
速率取平均值且为正值;比较速率大小时必须换算成同一物质、统一单位。

2.2 碰撞理论与活化能

理论有效碰撞才能反应

有效碰撞:能发生反应的碰撞,需要分子足够能量(≥ 活化能)+ 合适取向。
活化分子:能量达到门槛的分子;活化能 Ea:活化分子的平均能量与反应物平均能量之差。
催化剂原理:改变反应路径、降低活化能 → 活化分子百分数大增 → 速率加快(但不改变 ΔH 与平衡)。

实验碰撞理论粒子模拟器(温度与催化剂)

升温:分子速度加快(绿色高速分子增多);加催化剂:能垒降低(更多分子能翻越)——两种"提速"的微观机制完全不同。

2.3 影响速率的因素

总结内因与外因

内因(决定性):反应物本身的性质。
外因:浓度↑、温度↑、压强↑(有气体)、催化剂、固体表面积↑、光照 → 速率加快。
记忆抓手:温度影响最显著(指数级)、催化剂效率最高但不改变平衡。

2.4 化学平衡常数

概念K 只随温度变

对 mA + nB ⇌ pC + qD:K = c^p(C)·c^q(D) / (c^m(A)·c^n(B))(固体、纯液体不写入)。
K 越大反应进行越彻底(限度越深)。K 只与温度有关(升温:吸热反应 K 增大,放热反应 K 减小),与浓度、压强、催化剂无关。
转化率:α = 已反应量/初始量 ×100%。三段式(起始/转化/平衡)是解题万能格式。
勒夏特列原理:改变条件,平衡向"减弱该改变"的方向移动——但不能完全抵消。

实验平衡常数 K 计算器(三段式)

模型:H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)。改变起始 H₂ 浓度,看转化率与 K 的关系——K 恒定(温度不变),但 H₂ 转化率随配比变化。

随堂检测速率与平衡