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化学反应速率与限度 ​

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化学反应既有快慢问题（化学反应速率），又有限度问题（可逆反应进行到什么程度）。本笔记讲解化学反应速率的表示方法与影响因素，以及可逆反应、化学平衡状态的概念与判断标志。速率与限度是后续选必一"化学反应速率""化学平衡"的理论基础。

核心概念 ​

1. 化学反应速率 ​

  • 定义：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。
  • 公式：$v = \dfrac{\Delta c}{\Delta t}$，单位常为 $\ce{mol·L^{-1}·s^{-1}}$或$\ce{mol·L^{-1}·min^{-1}}$。
  • 注意：同一反应用不同物质表示的速率之比 等于化学计量数之比。

2. 可逆反应与化学平衡 ​

  • 可逆反应：在同一条件下既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的反应，用"$\ce{<=>}$"连接。
  • 化学平衡状态：在一定条件下，当正、逆反应速率相等时，各组分浓度不再改变，反应达到"限度"，此状态即化学平衡。
  • 化学平衡是动态平衡：$v_{正} = v_{逆} \neq 0$，反应并未停止。

重点知识 ​

1. 影响化学反应速率的因素 ​

内因（决定因素）：反应物本身的性质（如钠与水反应比铁与水剧烈）。

外因：

因素操作对速率的影响
浓度增大反应物浓度加快
温度升高温度加快
压强增大压强（对有气体参与的反应，相当于增大浓度）加快
催化剂加入正催化剂加快（不改变平衡）
接触面积增大（如固体研磨成粉末）加快
固体/纯液体的量改变用量不影响速率（浓度视为常数）

记忆

一般规律：浓度越大、温度越高、压强越大（气体）、有催化剂、接触面积越大 → 速率越快。注意"增大固体或纯液体的量"不影响速率，因为它们的浓度是常数。

2. 化学反应限度与化学平衡标志 ​

判断是否达到化学平衡的"标志"：

  • 本质标志：同一物质的 $v_{正} = v_{逆}$（不是速率相等，而是正逆速率"相等且不为零"）。
  • 直接标志：各组分浓度、物质的量、百分含量保持不变。
  • 间接标志（适用于 $\Delta n_{气} \neq 0$的反应，如$\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$）：
    • 恒容下混合气体总压强不变；
    • 混合气体的平均摩尔质量不变；
    • 恒温恒容下混合气体密度不变（若反应物、生成物均为气体且 $\Delta n_{气} \neq 0$，密度不变可作标志）。

不是标志的情况

  • 无论是否平衡，恒容下密度始终不变（反应前后均为气体的等容反应）→ 密度不能作标志。
  • $v_{正}$与$v_{逆}$ 方向相反但"速率大小之比等于化学计量数之比"才能说明平衡；若只说"生成速率等于消耗速率"则要看是不是同一物质。

3. 反应速率与化学计量数的关系 ​

对于 $\ce{aA + bB <=> cC + dD}$：$v(A):v(B):v(C):v(D) = a🅱️c:d$。

因此判断"速率关系是否描述同一方向"时，要先将不同物质的速率换算成同一物质的速率再比较。

4. 控制反应条件的意义 ​

  • 在实际生产中，通过控制温度、压强、浓度、催化剂来加快有利反应速率或减缓不利反应。
  • 通过平衡限度确定合理的转化率与反应条件（工业合成氨需综合速率与限度选择条件）。

典型例题 ​

例题 1：化学反应速率的计算 ​

题目：在 2 L 密闭容器中发生反应 $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$。2 s 后生成 $\ce{NH3}$0.8 mol，求$\ce{H2}$ 表示的反应速率。

分析：先求 $\ce{NH3}$的浓度变化$\Delta c(\ce{NH3}) = \dfrac{0.8\ \mathrm{mol}}{2\ \mathrm{L}} = 0.4\ \mathrm{mol·L^{-1}}$，再求 $\ce{NH3}$的速率，最后按化学计量数换算成$\ce{H2}$ 的速率。

解答： $$v(\ce{NH3}) = \frac{0.4\ \mathrm{mol·L^{-1}}}{2\ \mathrm{s}} = 0.2\ \mathrm{mol·L^{-1}·s^{-1}}$$

由 $v(\ce{H2}):v(\ce{NH3}) = 3:2$，得 $v(\ce{H2}) = 0.2 \times \dfrac{3}{2} = 0.3\ \mathrm{mol·L^{-1}·s^{-1}}$。

点评：求速率先求浓度变化再除以时间；不同物质表示的速率需按化学计量数之比换算。注意容器体积不能漏除。

例题 2：判断是否达到化学平衡 ​

题目：恒温恒容下，对反应 $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$，下列能说明反应已达平衡的是（　） ① 混合气体总压强不再改变；② 单位时间内消耗 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{N2}$同时生成$2\ \mathrm{mol}\ \ce{NH3}$；③ 混合气体的密度不再改变；④ $v_{正}(\ce{H2}) = v_{逆}(\ce{H2})$。

分析：该反应 $\Delta n_{气} = 2 - (1+3) = -2 \neq 0$，恒容下总压强不变可作为平衡标志（①对）。②中"消耗 $\ce{N2}$"与"生成 $\ce{NH3}$"都是正反应方向，不能说明平衡（②错）。反应前后气体总质量不变、恒容体积不变，密度恒为常数，任何时刻都不变（③错）。④是同一物质的 $v_{正} = v_{逆}$，是平衡的本质标志（④对）。

解答：选 ①④。

点评：判断平衡标志的关键：一抓"同一物质正逆速率相等"；二抓"能随反应进行而变化的量不再改变"。密度、总压强等能否作标志，要结合反应的 $\Delta n_{气}$ 和容器条件分析。

速率与平衡图像入门 ​

v–t 图像分析 ​

  • 改变条件的瞬间：
    • 浓度改变：速率发生"跳跃"变化（单向突变）。
    • 温度/压强改变：正逆速率同时突变，但幅度不同（吸热方向/气体分子数多的方向变化更明显）。
    • 加催化剂：正逆速率同倍率突变，平衡不移动。
  • 图像判断要点：先看突变时刻，再看变化后是否恢复"平线"（达新平衡）。

浓度—时间（c–t）图像 ​

  • 平衡时各物质浓度曲线趋于水平直线。
  • 反应物浓度下降，生成物浓度上升，曲线斜率变化反映速率变化。

常见平衡标志归纳 ​

标志是否有效说明
$v_{正} = v_{逆}$（同一物质）有效本质标志
各组分浓度不变有效直接标志
总压强不变（恒容，$\Delta n_{气}\neq0$）有效间接标志
密度不变（恒容，全气体）一般无效质量体积均不变
颜色不变（有有色物质）有效浓度不变的表现

记忆口诀 ​

"判平衡，先本质：正逆速率一样大；再找变，不再变：浓度压强摩尔质量。"

易错提醒 ​

常见错误

  • "反应速率等于浓度变化除以时间"时漏掉体积❌ —— 浓度 = 物质的量 ÷ 体积，求 $\Delta c$ 必须先算体积。
  • "$v_{正} = v_{逆}$"理解为"各物质速率相等"❌ —— 是同一种物质的正逆速率相等。
  • "正逆反应都停止时才是平衡"❌ —— 化学平衡是动态平衡，反应仍在进行。
  • "增大固体或纯液体的量加快反应速率"❌ —— 固体、纯液体浓度视为常数，改变用量不影响速率。
  • "恒容下密度不变就说明平衡"❌ —— 反应前后均为气体且质量守恒时，密度恒为常数，不能作标志。
  • "催化剂改变化学平衡限度"❌ —— 催化剂只加快速率、缩短达到平衡的时间，不改变平衡位置与转化率。

与其他知识关联 ​

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