化学自习室移动版

本文的核心如下：

1、化学反应伴随着能量变化

2、反应的方向性

1.1焓判据 

1.2熵判据

1.3吉布斯自由能

3、反应的速率

2.1反应速率的表达式

2.2有效碰撞、活化分子、活化能

2.3反应速率的影响因素（温度、压力、浓度、催化剂等）

4、反应的限度

3.1K（平衡常数，只和温度有关）

3.2如何判断反应平衡

3.3化学平衡的影响因素（温度、压力、浓度）

3.4勒夏特列原理（平衡移动方向）

化学反应不单单只是物质的变化，还有能量的变化，研究化学反应也不能单单停留在方程式上，反应物是啥？生成物是啥？而要考虑到化学反应的状态以及过程。

一个化学反应过程究竟是怎样进行的呢？我们姑且先不说化学反应，先谈谈追女孩子的过程吧，估计这样你才有兴趣。

一个追女孩子的过程究竟是怎样进行的呢？追女孩子首先要考虑到追到她的可能性，想想一个成天打游戏的死肥宅很难追得到高冷女神的。假设我死心悔改，追到她有那么一丢丢的可能性，这时候就要看我追她需要多长时间吧，总不能让我等个半辈子，才同意做我女朋友，这时候黄花菜都蔫了。就算追到手，我还得好好培养感情对不对，总不能把女朋友放一边继续打我的游戏，我得和女朋友共同努力，让我们关系升温，这个关系究竟有多温呢，我和女朋友关系究竟能好到什么程度呢？这也是追女孩最重要的东西。

因此我们可以总结追女孩的三个法宝：

一、 判断追到女神有没有可能性（这个是你在实施追求的前提，也是你能追到女神的“推动力”）

二、 追到女神需要多长时间（追求的速率问题，是快还是慢？）

三、 追到女神后和女生的亲密程度（恋爱可持续化的保证）

说了这么多追女孩的事情，这个和化学反应原理又有神马关系呢？总不能让我教妹子怎么解化学题吧？

其实人类研究很多事物的过程都是类似，追到手有没有可能性？追到手花多久？关系能到什么程度？研究化学反应过程也是如此。

一、判断化学反应能不能发生？（△G）

二、它进行的是快还是慢要多久？（v）

三、它能进行到什么程度？反应限度？（K）

这三大问题，问的就是追女孩的核心，哦不，化学反应的核心！这三大问题来了，我该怎么解决呢？选修四便是你研究追女孩（划掉）化学反应过程的葵花宝典。

一、化学反应能不能发生？

首先是一个化学反应能不能发生，就是化学反应的方向问题，化学反应能不能朝这个方向进行。谈能不能发生，我们不如把眼光放远一点点，自然界中有很多奇妙的过程，天会下雨，石头从高处落地，水往低处流，无论是人的生老病死还是自然界的花开花落，这些过程都是自然而然进行的。

汽油在几百摄氏度燃烧变成二氧化碳，是件自然而然的事情，点火就能烧着。但是在同样的温度下，你想把二氧化碳变成汽油，就是一件不可能的事情。因为它不符合这个“自然而然”，我们称这个反应没有自发性。

自然界中有两大规律，一个是能量越低越稳定，另外一个是最大混乱度倾向（熵增原理）。石头在高处就不稳定，相比低处它的重力势能大，所以它就有往低处落的倾向，释放重力势能。低处的石头是不会想着往高处蹦的，除非你额外做功。生活中熵增原理比比皆是，整洁的桌面会自然而然变乱，整齐的头发你不管它也会变乱，有序的花瓣最终会散乱，一个肮脏的房间不会自动变清洁。你想要事情变整洁，有条理，有秩序，就必须与这个自然法则对抗，付出的代价就是额外做功。

在化学反应中，用焓变（△H）来反应化学反应能量的变化，用熵变（△S）来反应它的混乱度的变化，综合这两点，提出的吉布斯自由能判据（△G=△H-T△S）来判断一个化学反应究竟能不能自然而然发生。显然如果一个化学反应，它释放出了能量，并且混乱度变大了，它在任何温度下都有可能发生。

二、化学反应进行的快与慢（反应速率）

一个化学反应能不能进行，是我们研究这个化学反应的前提，吉布斯自由能判据只能让我们知道反应能不能发生，却不能知道反应的快与慢。有些反应确实可能发生，但是需要用掉上万年的时间才能进行彻底，比如溶洞的形成。而有些反应则很快就能进行彻底，比如酸碱滴定，炸药爆炸。

如何控制化学反应的快慢尤其重要，比如我是化工厂厂长，我的生产中用的化学反应要10天才能进行彻底，但是我有种方法，可以加快它的反应速率，1天搞定，这样的话，我只用1天就能生产10天的货，并且还节约了9天的工厂管理费。另外，还有些化学反应我并不希望它辣么快进行，比如钢铁的腐蚀。

那么问题来了，化学反应速率和什么有关呢？我们又该如何控制化学反应速率呢？

谈反应速率，我们不如谈谈一个化学反应的微观过程，比如氢气和氯气生成氯化氢。假想一个密闭的容器里面，充满了氢气和氯气，这些气体都在做着无规则热运动。氢气和氯气要想发生化学反应，氢分子和氯分子就必须相互碰撞在一起，碰撞在一起还不一定能发生化学反应，必须得是“有效碰撞”，大多数碰撞是“无效碰撞”，那么怎样才能完成有效碰撞呢？就必须要让分子活化，只有活化的分子才能完成有效碰撞，而让分子活化，就必须给这个分子提供活化能。

   氢气和氯气反应机理

这个微观过程就是，氢分子的氢氢键断裂，氯分子的氯氯键断裂，形成中间态氢和中间态氯原子，这个中间态的氢原子和氯原子才是能够发生有效碰撞的活化分子（微粒），而要让化学键断裂，就必须提供能量，这个能量就可以看做为活化能。（但不是活化能），最终活化分子完成有效碰撞，形成新的化学键就会释放出能量。（这只是一种假象过程，方便理解，更真实的情况是氢气和氯化氢结合在一起形成过渡态分子，然后断裂成两个氯化氢。）

（by the way，这里就可以看出化学反应和能量的关系，化学反应的微观解释就是有旧的化学键的断裂和新的化学键的形成，断键吸热，成键放热，因此一个化学反应既有吸热和放热，但是如果吸收的热大于放出的热，它就是吸热反应，反之亦然。）

知道了这个微观过程，我们就可以搞出两个关键，有效碰撞和活化能，化学反应速率就和这个有关系。

（其实化学反应速率在《化学动力学》的研究范围内，真正的反应速率和化学反应的本征动力学以及传质动力学有关，而在本征动力学里面有个赫赫有名的方程，叫做阿伦尼乌斯方程，高中为了简便只考察化学反应本身的动力学，做了很多简化）

如果我们让有效碰撞变多，并且能够降低活化能（降低分子达到活化状态的门槛），这个反应反应是不是越容易进行？看起来就是反应速率加快了！实际操作上，我们通过加热，加压，增大浓度这三个方面来提升分子的有效碰撞。加热能够让分子热运动更加剧烈，发生有效碰撞的机会就会变大，同样加压和增大浓度就是让分子在反应体系中更加密集，碰撞在一起的概率就变大了。

另外还可以利用催化剂来降低反应的活化能，实际上催化剂是参加进了这个化学反应，催化剂可能与某个反应分子结合，让它更容易到达活化状态，因此反应变得更加容易进行了，而在反应终点的时候，催化剂又脱离了反应物。催化剂可以说就是一个默默无闻的贡献者，送它一个好人卡！（此外什么超声波啊，核辐射啊，光照啊，也能加快反应速率，它们的本质就是给分子提供了能量，让其碰撞更激烈或者活化。）

稍微总结一下，化学反应速率和几个条件有关系，就是温度、压力、浓度和催化剂等，我们控制化学反应速率也就是从这几个角度下手。

催化反应和无催化反应的能量过程，反应物首先要被活化才能反应，达到活化状态需要往上爬过一个“能垒”，然后才能转化成生成物，这个“能垒”越低则更容易爬过去，催化剂就能降低这个“能垒”——活化能对了，我们还忽略了化学反应速率的表达式，我们选用单位时间，反应物或者生成物的浓度的改变量，来表达反应速率，v=△C/△t,时间单位常用分钟，所以在高中反应速率的单位通常是mol/(L·min)，谈及反应速率的表达式我们还要注意到这个和你选择的物质的有关，同样的一个化学反应，你选择其中不同的物质作为参考，得出的反应速率也就不一样。

之所以选择浓度的改变量来作为反应速率，是因为浓度方便测量，你要是选择质量、物质的量或者压强的改变量，其实本质上是可以的。不过也不要给自己添乱子，安安分分地按照浓度来吧。

三、化学反应的限度（化学平衡）

前面我花了很大篇章来谈及化学反应速率，不过最重要的还是在化学反应限度这块！就好比追女孩（原谅我喜欢用这个例子），你就算把他追到手了，更重要的是你和她的关系到底如何，好到如何程度？同样对于一个化学反应，我们也要知道它究竟能进行到什么程度？

在前面的反应速率里面，我提及到了当化学反应结束时，怎么怎么样，这个结束就可以看做为化学反应限度。假设我还是一个化工厂厂长，这个厂生产合成氨，就是用氢气和氮气反应生产氨气，我在做实验的时候，发现100g的氢气，最后只有1g能够转化为氨气，剩下的99g我就算放一万年，它还是保持99g不变，无法继续转化为氨气。

这时候我们称为反应达到了平衡，也就是这个反应它达到了极限，再想让它生产氨气，你就必须改变条件了，要想马儿跑，就必须给马儿吃草。有点基础的同学，就可能就要问啦，我记得化学平衡里面有什么可逆反应。

对！就是可逆反应，因为很多化学反应不是说达到平衡就停止了！只是看起来停止了，实际上没有。就好比睡得像猪一样的人，看起来他没有动静，对外界的反应也没回应，就像死掉了一样，但是本质上还是活着的！同样对于一个达到反应限度的可逆反应，它已经化学平衡了，看起来放一万年没啥变化，就像“死掉的化学反应”，但是化学反应依旧在进行着，反应物会不断地变成生成物，同样生成物也会不断变成反应物，这一些都在你眼皮子底下进行着，你却看不到也难以测量出来。是因为反应物变成生成物，同样生成物也会变成反应物，正向反应的速率和逆向反应的速率是一样的，所以反应物以及生成物的质量没有改变。

这个就好比，你吃一碗黄焖鸡花了20元，但是呢你做大扫除又赚到了20元，看起来你的总资金没有变化，但是你的资金是在流动的，有支出也有收获！

其实呢，对于所有的可逆反应，一旦反应开始进行，反应物转化成生成物，这时候，不单单只有反应物转化为生成物这个过程，还有生成物转化成反应物这个过程，所以反应还没到达限度的时候，正向反应和逆向反应是同时进行的！我们只能看到反应只能是正向进行的，是因为正向反应的速率大于逆向反应是速率。

敲黑板，一个可逆反应，从反应开始到反应达到限度处于平衡时候，正向反应和逆向反应是同时存在的。并且直到平衡，正向反应和逆向反应还存在，它的反应速率是相等的且不为0.

对了，这时候好事的同学可能又要问了，你一直说化学反应进行达到限度，他就平衡了，那么我又怎么知道它是不是真正的平衡了呢？可能它的反应速率很慢啊，我测量的间隔太靠近了，看不出物质还在改变啊，怎么解？还有有没有啥标准来判断反应是达到了限度呢？

很好，问题到这里，我们就可以引出著名的平衡常数K，下面有请K老爷出场！

在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数，这个常数就是该反应的化学平衡常数（简称平衡常数），用符号K表示。

至于化学平衡这个公式是怎么推导出来的，就不细讲了，在大学里面，会引入化学势的概念，可以说任何一本《无机化学》上面都会讲它的来源。我们只用记住这个K,它的温度函数，也就是说在不同的温度下，化学反应的限度是不一样的。比如在20℃下达到了化学平衡，如果你把温度升高到100℃那么它就是不平衡了。

有了这个K老爷，事情就好办了，我们要判断这个反应是否达到了平衡，只需要查到在该温度下的平衡常数，然后测量出反应物和生成物的浓度，计算一下，看这个数值是不是等于K，如果小于K，显然这个反应没有达到限度，还必须朝着正向进行，如果大于K，则必须逆向进行达到平衡状态。

K老爷出场后，勒夏特列老爷子也蠢蠢欲动了，刚才不是说嘛，在20℃下达到平衡的反应，如果把它温度升高到100℃，它就不平衡，而所有的可逆反应都要朝着平衡的方向移动，所以改变温度后，这个反应会朝着100℃平衡状态移动。

那么究竟怎么移动呢？

勒夏特列老爷子总结了大量的事实，提出了平衡移动原则：如果改变影响平衡的条件之一（如温度、压强，以及参加反应的化学物质的浓度），平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。

其实非常好理解，你可以把这个平衡的可逆反应想象成一个叛逆的小孩子，它达到了平衡已经满足了，你想改变它什么，它就要反着跟你斗！

我：“你这产物也太少了，不行我要增加反应物的浓度！”

可逆反应：“啥？敢随便动爷好不容易完成的平衡，我偏不要你增加反应物，我得正向移动减少反应物。”

我：“温度太低，我要升温”

可逆反应：“啥？你要升温，经过爷的允许没？看我把热量吸走！”

但是呢，它终究是斗不过你的，它只能减弱这种改变，但是无法消除这种改变，你降低温度，平衡朝着放热的方向进行，但是杯水车薪，反应体系的温度最终是会降低，它改变不了这个事实。

值得一提的事，勒夏特列原理是适用于已经达到平衡的可逆反应！敲黑板“已经达到平衡”，那么对于没有达到平衡的可逆反应，你这样改变它是没有意义的。

从勒夏特列原理，我们可以看到改变一个已经平衡的可逆反应，可以通过改变温度、浓度、压强这几种方法来实现。这几种方法是不是很像之前讲的改变化学反应速率的方法？但是呢，有个问题，改变化学反应速率的方法中有个很重要的就是可以加催化剂，那催化剂能不能改变化学反应的平衡呢？

很遗憾，并不能！

其实能把反应速率和平衡移动的改变方法联系到一起，你已经很接近答案了！勒夏特列原理的本质就是通过改变一方反应的速率，从而让平衡移动。

前面我们说到，一个平衡的可逆反应，它的正向反应速率和逆向反应速率是一样的，有多少反应物生成，就有多少反应物消耗掉。通过改变浓度或者压强，让一方的反应速率大于另外一方，这样反应就会一方的方向进行。如果是改变温度的话，温度会同时影响正反应和逆反应的速率，但是温度会影响到K老爷（平衡常数），这样正向或者逆向反应速率的变化值不一样，它就会朝着新温度下的平衡的方向进行。那么对于催化剂，催化剂加到一个已经平衡的可逆反应中，它确实能加快反应速率，但是正向反应速率和逆向反应速率都是加的一样多的，所以最后正向和逆向反应速率还是一样的，还是保持平衡！

正向反应和逆向反应，这个就好比甲乙两方打架，两个实力一样，胜负难分，你给他们同样的武器，也只是同等地增加它们的战斗力，还是胜负难分。除非你给甲方小刀，给乙方自动步枪，乙方才能压倒甲方。

化学家们，就是通过这三大法宝来研究化学反应，与化学反应斗智斗勇，他们是原子和分子的艺术家，用一个又一个的化学反应制备出惠及人类的物质，化腐朽为神奇，造福人类。希望你也能掌握这三大法宝，与难题斗智斗勇，迎难而上，才是学习应有的态度！

高中化学学习，必须是建立在你要理解这些基础知识的前提下，再刷题提升，一味的刷题很难对这些知识有更深的理解，刷题是必要的，可以让你多见识一些套路，但是最更本的，所有的套路都是基于最简单的几个原则。学习就是从容易往复杂进行的，这确实需要过程。