化学反应速率与化学平衡的原理
一、化学反应速率的概念及表示方法
例如：化学反应 速率快慢（定性描述）
爆炸反应和燃烧反应 反应速率极快
酸碱溶液的中和反应 反应速率快
多数有机反应 反应速率慢
石油的形成 反应速率极慢
化学反应的速率有快有慢，像石油和煤的形成需要上百万年，而燃烧、中和反应等在瞬间就可以完成。
1．化学反应速率的概念及表示方法
化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢程度的。通常是用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
单位：mol/(L·s)或mol·(L·s)，mol/(L·min)或mol·(L·min)
反应速率的表达式为：v= △c/△t
v反应物= △c(反应物的浓度变化)/△t
v生成物= △c(生成物的浓度变化)/△t
△t为反应时间
2．化学反应中的反应速率与化学计量数的关系
在反应2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O中，反应前后溶液的体积保持1 L不变，反应前NaOH和浓硫酸的物质的量均为2 mol，经过2 s后有0.4mol Na2SO4生成，求用不同反应物和生成物表示的反应速率，并指出其反应速率间的关系有什么规律。
分析：
2NaOH + H2SO4 === Na2SO4 +2H2O
起始： 2mol 2mol 0
转化： 0.8mol 0.4mol 0.4mol
浓度变化： 0.8mol/L 0.4mol/L 0.4mol/L
反应速率： 0.4mol/(L·s) 0.2mol/(L·s) 0.2mol/(L·s)
速率之比： v(NaOH)∶v(H2SO4)∶v(Na2SO4)=2∶1∶1
化学计量数之比：NaOH∶H2SO4∶Na2SO4=2∶1∶1
结论：化学反应中各物质的反应速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。因为化学反应中各物质的量改变值之比等于该化学方程式的系数之比，而在反应体系中各物质在同一容器中，在相同时间内发生反应，故各物质的反应速率之比总是等于化学方程式的系数比。即：
mA(g)+nB(g)=pC(g)+qD(g)
v(A)∶v(B) ∶v(C) ∶v(D)=m∶n∶p∶q
【注意】①速率的数值没有负值，均为正值。
②对同一反应，选用不同物质的浓度变化来表示反应速率时，数值可能不同，化学计量数相同时，反应速率相同，化学计量数不同则反应速率不同，因此必须标明物质名称。例如，反应2N2O5=4NO2+O2,可以用v(N2O5)、v(NO2)或v(O2)来表示。反应时各反应物和生成物的浓度有一定的比，所以只需要选用任一物质的浓度的变化来表示，因为各种物质表示的反应速率之比等于化学方程式中各物质的计量系数之比，例如：v(NO2)=2v(N2O5)。
③在反应时反应物和生成物的浓度都在不断变化，反应速率也随着改变，所以必须指明某一时刻的速率才有意义，这叫瞬时速率，通常所指的反应速率是一段时间内的平均速率，而不是某一时刻的瞬时速率，二者应加以区别。
④对于可逆反应通常所指的反应速率也是某一物质的正反应速率，而该物质的逆反应速率等于单位时间内该反应物浓度的增加或该生成物浓度的减少。
⑤在反应中纯固体和纯液体的浓度是恒定不变的，反应速率与其表面积大小有关，而与其物质的量多少无关。通常是通过增加该反应物的表面积（如粉碎成小颗粒）、充分搅拌、振荡等来加快反应速率。
二、影响化学反应速率的因素
比较下列物质与氢气反应的速率 物 质 F2 Cl2 O2 N2 内 因 分子活泼性 最活泼 很活泼 活泼 不活泼 外 因 通常条件下 极快 缓慢 不反应 不反应 反应需要条件 任何条件 光照或点燃 点燃 高温、高压、催化剂 【小结】
1．浓度对化学反应速率的影响
实验2-2：浓度对化学反应速率的影响
实验目的：探究反应物的浓度对化学反应速率的影响。
实验原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O。
实验用品：大理石、1mol/L盐酸、0.1mol/L盐酸、试管、镊子、试管夹、酒精灯等。
实验操作：①将颗粒大小相同的两份大理石分别装入试管中，再分别加入10mL 1mol/L盐酸和10mL 0.1mol/L盐酸，观察现象。
②给加入0.1mol/L盐酸的试管微热，观察现象。
实验现象：两支试管都产生气泡，但加入1mol/L盐酸的试管中有大量气泡产生，而加入0.1mol/L盐酸的试管中气泡产生的却很慢。微热后加入0.1mol/L盐酸的试管里气泡的产生有所加快。
实验结论：在化学反应CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O中，盐酸浓度较大，化学反应速率也较大；盐酸浓度较小，化学反应速率也较小。
【注意】①两份大理石要体积大小相同，且是同种大理石，否则无可比性。
②盐酸的浓度不宜过大也不宜过小，且两份盐酸有较大的浓度差别，否则无可比性。
碰撞理论：把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞，把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子。
a．碰撞理论认为：发生化学反应必先有分子碰撞，但不是每次碰撞都能引起反应。例如：在500℃、101kPa的条件下，浓度为10mol/L的HI气体中，分子间相互碰撞次数高达每秒3.5×10次之多，但在单位时间内有效碰撞次数却少得很，因此HI分子要分解成H2分子和I2分子，不会瞬时完成。
b．活化分子的碰撞不一定都是有效碰撞，反应物分子间发生有效碰撞，必须同时满足两个条件：一是反应物分子必须有足够的能量，即达到活化分子具有的最低能量；二是反应物分子必须按一定取向互相碰撞，即“碰撞得法”，才能引起旧键断裂，新键形成。前者是能量因素，后者是空间因素。
活化分子比普通分子具有更高的能量，在碰撞时有可能克服原子间的相互作用而使旧键断裂。但活化分子碰撞时，也不是每一次都能起反应的，还必须在有合适的取向时的碰撞才能使旧键断裂。
例如，HI分子的分解反应2HI H2+I2可能有以下几种碰撞，如图所示。
在Ⅰ中，HI分子没有足够的能量，因此碰撞过轻，两个分子又彼此弹离；在Ⅱ中，由于碰撞没有合适的取向，因此两个分子也彼此弹离；在Ⅲ中，分子具有足够的能量且碰撞的取向合适，成为活化分子的有效碰撞，因此导致H—I键的断裂及H—H键和I—I键的形成，即HI发生分解反应，生成H2和I2。
规律：在其他条件不变时，对某一反应来说，活化分子在反应物分子中所占的百分数是一定的，反应物浓度增大→活化分子数增多→有效碰撞增多→反应速率增大。因此，增大反应物的浓度可以增大化学反应速率。
注意：①化学反应速率与浓度有关，而与物质的总量无关。
②对不溶的固态物质或纯液体，其浓度是不变的，所以反应速率与接触表面积有关。在考虑浓度对反应速率的影响时，它们的量的多少对反应速率的影响可以忽略。
[思考题]实验室制氯气时，为什么要用浓盐酸，而不能用稀盐酸？
2．压强对化学反应速率的影响
根据气态方程pV=nRT，对气态反应来说，当温度一定时，一定量气体的体积与其所受压强成反比，如果气体的压强增大到原来的2倍，气体的体积就缩小到原来的 ，单位体积内的分子数就增大到原来的2倍，如图所示。所以，增大压强，就是增加单位体积里反应物的物质的量，即增大反应物的浓度，因而可以增大化学反应速率。相反，减小压强，气体的体积就扩大，浓度减小，因而化学反应速率也减小。
规律：对于气态反应或有气体物质参加的反应，增大压强可以增大化学反应速率；反之，减小压强则可以减小化学反应速率。
说明
①对于气态物质来说，压强对反应速率的影响就是浓度对反应速率的影响。改变压强，对化学反应速率产生影响的根本原因是引起浓度改变，通常所指改变压强即是指改变气体的体积。所以，在讨论压强对反应速率的影响时，应区分引起压强改变的原因。对于气体反应体系，有以下几种情况：
a．恒温时：增加压强 体积缩小 浓度增大 反应速率加快
b．恒容时：充入气体反应物总压增大 浓度增大 反应速率加快
充入稀有气体总压增大，但各物质浓度不变，反应速率不变
c．恒压时：充入稀有气体 体积增大 各反应物浓度减小 反应速率减慢
②反应物都是固体、液体时，由于改变压强对它们的体积改变很小，因而对它们的浓度改变很小，可以认为压强与它们的反应速率无关。
③加压一定会使气体反应速率加快，但有的气体反应在压强不同时，会生成不同的产物，加压不一定有利于加快该反应的速率，而可能加快了其他反应的速率。
[思考与讨论]为什么实验室通常很少用加压的手段来加快气体反应速率？
因为加压的设备和操作比较复杂。工业实际生产中，由于加压对生产设备要求高，因此，如果不是提高反应程度的需要，一般尽量不采取加压的方法增大反应速率。通常只有在其他条件均不能达到目的的情况下，才采取加压措施。
例如，接触法制硫酸工业中，SO2+O2→SO3反应，在常温下，SO2的转化率高于90%，因此不需要加压，而是通过加热和加催化剂来增大反应速率。而N2+H2→NH3的反应，在其他条件都采取的情况下，反应物的转化率也达不到要求，所以加压是必要的。
3．温度对化学反应速率的影响
实验：温度对化学反应速率的影响
实验目的：探究温度对化学反应速率的影响
实验原理：Na2S2O3+H2SO4=S↓+SO2↑+Na2SO4+H2O
S2O +2H=S↓+ SO2↑+H2O
实验操作：用三个洁净的小烧杯，编号为1、2、3在小烧杯的底部贴上写有黑色“S”字的小纸条，并按下表规定的用量分别加入Na2S2O3溶液和蒸馏水，摇匀，在室温条件下，向1号烧杯中加入2mL H2SO4溶液，并记录时间，到溶液出现浑浊现象，使烧杯底部的“S”字看不见时，停止记时，再把另两个烧杯分别放入盛有热水、沸水的大烧杯中保持一会儿，然后分别加入2mL H2SO4溶液，并开始记录时间，到溶液出现浑浊现象，使烧杯底部的“S”字看不见时，停止记时，将记录的时间分别填入下表。 编号 加Na2S2O3溶液的体积/mL 加H2O的
体积/mL 加H2SO4的
体积/mL 温度/℃ 出现浑浊
所需时间/s 1 5 5 2 室温 2 5 5 2 热水浴 3 5 5 2 沸水浴 实验现象：三个烧杯中出现浑浊所需时间的长短关系为：1>2>3。
实验结论：在其他条件相同时，升高温度能加快化学反应速率，降低温度能减慢化学反应速率。
【注意】①热水浴的水温在50℃～60℃的范围内为宜。
②放入热水和沸水中的烧杯，要保持一会儿后再分别加入2mL H2SO4，目的是使小烧杯内液体的温度和大烧杯内液体的温度达到一致。
③三组实验中要用同浓度的Na2S2O3溶液和H2SO4，且要按照表中所规定的比例取用Na2S2O3溶液、水和H2SO4的体积，并保持总体积相同。
④三个“S”字的清晰度要相同。
⑤对三个烧杯内的混合溶液搅拌的程度、时间要相同。
⑥计时器（秒表）在使用前要先进行检验、校对，保证其灵敏、准确。
⑦对三个烧杯内反应记时的起始点和终止点要相同。
在浓度一定时，升高温度，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的分子变成活化分子，从而增加了反应物分子中活化分子的百分数，使有效碰撞次数增多，因而使化学反应速率增大。当然，由于温度升高，会使分子的运动加快，这样单位时间里反应物分子间的碰撞次数增加，反应也会相应地加快，但这不是反应加快的主要原因，而前者是反应加快的主要原因。
规律：升高温度可以加快化学反应速率，温度越高化学反应速率越大；降低温度可以减慢化学反应速率，温度越低化学反应速率越小。经过多次实验测得，温度每升高10℃，化学反应速率通常增大到原来的2～4倍。
4．催化剂对化学反应速率的影响
实验：催化剂对化学反应速率的影响
实验目的：探究催化剂对化学反应速率的影响。
实验原理：2H2O2 2H2O+O2↑
实验用品：5% H2O2溶液、洗涤剂、MnO2粉末、试管、药匙等。
实验操作：①在两支试管里分别加5mL质量分数为5%的H2O2溶液和3滴洗涤剂；②向其中一支试管中加少量MnO2粉末，观察反应现象。
实验现象：在盛有H2O2的试管中加入MnO2粉末时，立即有大量气泡产生，而在没有加入MnO2粉末的试管中只有少量气泡出现。
实验结论：在其他条件相同时，加入催化剂能改变化学反应速率。
【注意】
①在MnO2的催化作用下，H2O2的分解反应非常剧烈，故加入试管中的H2O2不宜过多，否则产生的氧气太多、太急，不易控制。催化剂用量要少，试管不可太小，以防止反应过分剧烈而使反应物冲出试管。
②由于H2O2分解时反应剧烈，如果有有机物杂质存在时，可能会引起爆炸，故所用MnO2应该预先进行灼烧以除去其中的有机物杂质。H2O2溶液不要太浓，以5%为宜，以免发生危险。
催化剂能够改变化学反应速率的原因，是它能够降低反应所需要的能量，这样就会使更多的反应物分子成为活化分子，大大增加单位体积内反应物分子中活化分子所占的百分数，从而成千成万倍地增大化学反应速率。
规律：对于某些化学反应，使用催化剂可以加快化学反应速率。
由于催化剂能成千成万倍地增大化学反应速率，因此，催化剂在现代化工业生产中占有极为重要的地位。据初步统计，约有85%的化学反应需要使用催化剂，有很多反应还必须靠使用性能优良的催化剂才能进行。
寻找优良的催化剂是一项意义重大的科学研究，许多科学家为此而奋斗终身，才创造了今天高度的物质文明。有多位科学家因研究发现了重要的催化剂而荣获诺贝尔奖。化学之所以成为二十世纪的中心科学，主要归功于催化化学的高速发展，催化化学仍是今后值得我们们去发展的重点学科。
说明：“改变”的含义是增大或减小。催化剂能增大或减小化学反应的速率。能增大化学反应速率的叫正催化剂，能减小化学反应速率的叫负催化剂。由于负催化剂很少，在中学化学里并不涉及，所以一般催化剂都是指正催化剂。
【小结】影响化学反应速率的外部条件。
①浓度：其他条件不变时，增加反应物浓度可以增大化学反应速率，浓度越大化学反应速率越大；减小反应物的浓度可以减小化学反应速率，浓度越小化学反应速率越小。原因是物质的浓度的变化使单位体积里活化的分子数发生变化，分子有效碰撞的几率发生了变化。
②压强：对于有气体参加的化学反应，当其他条件一定时，增大压强，增大化学反应速率，压强越大化学反应速率越大；减小压强，减小化学反应速率，压强越小化学反应速率越小。原因是气态物质浓度的变化通常随压强的变化而变化。
③温度：升高温度，可以加快化学反应速率，温度越高化学反应速率越大；降低温度可以降低化学反应速率，温度越低化学反应速率越小。原因是升高温度使一些普通分子吸收能量变为活化分子；降低温度使一些活化分子释放能量变为普通分子。
④催化剂：对于某些化学反应，使用催化剂可以加快化学反应速率。原因是催化剂降低了反应需要的能量，使一些普通分子成为活化分子。
⑤各条件对化学反应速率的影响大小是：催化剂>温度>浓度=压强。各种影响都有其局限性，要针对具体反应具体分析。
⑥对化学反应速率的影响除以上四点外，还有光、超声波、激光、放射线、电磁波、反应物颗粒大小、扩散速率、溶剂等等会对化学反应速率产生影响。
