高中化学 16 化学反应速率与限度

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一、化学反应速率

定义：化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢程度的物理量。通常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。

计算公式：对于反应\(aA + bB = cC + dD\)，其化学反应速率\(v\)可以用以下公式计算：\(v=\frac{\Delta c}{\Delta t}\)，其中\(\Delta c\)表示反应物或生成物浓度的变化量，\(\Delta t\)表示反应时间的变化量。例如，某反应中反应物\(A\)在\(2\)分钟内浓度从\(2mol/L\)降低到\(1mol/L\)，则\(A\)的反应速率\(v(A)=\frac{2mol/L - 1mol/L}{2min}=0.5mol/(L\cdot min)\)。

单位：常用的单位有\(mol/(L\cdot s)\)、\(mol/(L\cdot min)\)、\(mol/(L\cdot h)\)等。

影响因素：

反应物浓度：反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞的几率增加，化学反应速率加快。反之，反应物浓度减小，反应速率减慢。

反应温度：温度升高，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的普通分子变成活化分子，活化分子百分数增加，有效碰撞次数增多，反应速率加快。一般来说，温度每升高\(10^{\circ}C\)，反应速率通常增大到原来的\(2-4\)倍。

催化剂：催化剂能够改变化学反应的途径，降低反应的活化能，使更多的反应物分子成为活化分子，大大提高了单位体积内反应物分子的百分数，从而显著提高反应速率。

压强：对于有气体参加的化学反应，增大压强（减小容器体积）相当于增大反应物的浓度，反应速率加快；减小压强（增大容器体积）相当于减小反应物的浓度，反应速率减慢。

反应物的接触面积：增大反应物的接触面积，使反应物充分接触，有效碰撞几率增大，反应速率加快。例如，块状固体与粉末状固体相比，粉末状固体与其他物质反应时速率更快。

二、化学反应限度

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。可逆反应的特点是反应不能进行到底，反应物和生成物同时存在于同一反应体系中。例如，\(N_{2}+3H_{2}\stackrel{催化剂}{\underset{高温、高压}{\rightleftharpoons}}2NH_{3}\)就是一个可逆反应。

化学平衡状态：在一定条件下的可逆反应里，当正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化时，反应体系所处的状态叫做化学平衡状态。化学平衡状态具有以下特征：

动：化学平衡是一种动态平衡，反应达到平衡状态时，正反应和逆反应仍在继续进行，只是正反应速率和逆反应速率相等。

等：正反应速率和逆反应速率相等，这是化学平衡状态的本质特征。

定：反应物和生成物的浓度保持不变，各组分的百分含量也保持不变，这是化学平衡状态的宏观表现。

变：化学平衡状态是在一定条件下建立的，当外界条件发生改变时，原平衡状态会被破坏，反应体系会在新的条件下建立新的平衡状态。

三、化学平衡常数

定义：对于一般的可逆反应\(aA + bB \rightleftharpoons cC + dD\)，在一定温度下达到化学平衡时，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，这个常数叫做该反应的化学平衡常数，用符号\(K\)表示。其表达式为\(K=\frac{[C]^{c}[D]^{d}}{[A]^{a}[B]^{b}}\)，其中\([A]\)、\([B]\)、\([C]\)、\([D]\)分别表示反应物和生成物的平衡浓度。

意义：化学平衡常数\(K\)的大小反映了化学反应进行的程度。\(K\)值越大，说明反应进行得越完全，反应物的转化率越高；\(K\)值越小，说明反应进行得越不完全，反应物的转化率越低。

影响因素：化学平衡常数只与温度有关，与反应物或生成物的浓度、压强等其他因素无关。对于吸热反应，升高温度，\(K\)值增大；对于放热反应，升高温度，\(K\)值减小。