如何簡單理解實驗室的化學(xué)原理

化學(xué)反應(yīng)不單單只是物質(zhì)的變化，還有能量的變化，研究化學(xué)反應(yīng)也不能單單停留在方程式上，反應(yīng)物是啥？生成物是啥？而要考慮到化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)以及過程。

一個化學(xué)反應(yīng)過程究竟是怎樣進(jìn)行的呢？我們姑且先不說化學(xué)反應(yīng)，先談?wù)勛放⒆拥倪^程吧，估計這樣你才有興趣。

一個追女孩子的過程究竟是怎樣進(jìn)行的呢？追女孩子首先要考慮到追到她的可能性，想想一個成天打游戲的死肥宅很難追得到高冷女神的。假設(shè)我死心悔改，追到她有那么一丟丟的可能性，這時候就要看我追她需要多長時間吧，總不能讓我等個半輩子，才同意做我女朋友，這時候黃花菜都蔫了。就算追到手，我還得好好培養(yǎng)感情對不對，總不能把女朋友放一邊繼續(xù)打我的游戲，我得和女朋友共同努力，讓我們關(guān)系升溫，這個關(guān)系究竟有多溫呢，我和女朋友關(guān)系究竟能好到什么程度呢？這也是追女孩最重要的東西。

因此我們可以總結(jié)追女孩的三個法寶：

一、 判斷追到女神有沒有可能性（這個是你在實施追求的前提，也是你能追到女神的“推動力”）

二、 追到女神需要多長時間（追求的速率問題，是快還是慢？）

三、 追到女神后和女生的親密程度（戀愛可持續(xù)化的保證）

說了這么多追女孩的事情，這個和化學(xué)反應(yīng)原理又有神馬關(guān)系呢？

其實人類研究很多事物的過程都是類似，追到手有沒有可能性？追到手花多久？關(guān)系能到什么程度？研究化學(xué)反應(yīng)過程也是如此。

一、判斷化學(xué)反應(yīng)能不能發(fā)生？

二、它進(jìn)行的是快還是慢要多久？

三、它能進(jìn)行到什么程度？反應(yīng)限度？

這三大問題，問的就是追女孩的核心，哦不，化學(xué)反應(yīng)的核心！這三大問題來了，我該怎么解決呢？

一、化學(xué)反應(yīng)能不能發(fā)生？

首先是一個化學(xué)反應(yīng)能不能發(fā)生，就是化學(xué)反應(yīng)的方向問題，化學(xué)反應(yīng)能不能朝這個方向進(jìn)行。談能不能發(fā)生，我們不如把眼光放遠(yuǎn)一點點，自然界中有很多奇妙的過程，天會下雨，石頭從高處落地，水往低處流，無論是人的生老病死還是自然界的花開花落，這些過程都是自然而然進(jìn)行的。

汽油在幾百攝氏度燃燒變成二氧化碳，是件自然而然的事情，點火就能燒著。但是在同樣的溫度下，你想把二氧化碳變成汽油，就是一件不可能的事情。因為它不符合這個“自然而然”，我們稱這個反應(yīng)沒有自發(fā)性。

自然界中有兩大規(guī)律，一個是能量越低越穩(wěn)定，另外一個是最大混亂度傾向（熵增原理）。石頭在高處就不穩(wěn)定，相比低處它的重力勢能大，所以它就有往低處落的傾向，釋放重力勢能。低處的石頭是不會想著往高處蹦的，除非你額外做功。生活中熵增原理比比皆是，整潔的桌面會自然而然變亂，整齊的頭發(fā)你不管它也會變亂，有序的花瓣最終會散亂，一個骯臟的房間不會自動變清潔。你想要事情變整潔，有條理，有秩序，就必須與這個自然法則對抗，付出的代價就是額外做功。

在化學(xué)反應(yīng)中，用焓變（△H）來反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)能量的變化，用熵變（△S）來反應(yīng)它的混亂度的變化，綜合這兩點，提出的吉布斯自由能判據(jù)（△G=△H-T△S）來判斷一個化學(xué)反應(yīng)究竟能不能自然而然發(fā)生。顯然如果一個化學(xué)反應(yīng)，它釋放出了能量，并且混亂度變大了，它在任何溫度下都有可能發(fā)生。

二、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快與慢（反應(yīng)速率）

一個化學(xué)反應(yīng)能不能進(jìn)行，是我們研究這個化學(xué)反應(yīng)的前提，吉布斯自由能判據(jù)只能讓我們知道反應(yīng)能不能發(fā)生，卻不能知道反應(yīng)的快與慢。有些反應(yīng)確實可能發(fā)生，但是需要用掉上萬年的時間才能進(jìn)行徹底，比如溶洞的形成。而有些反應(yīng)則很快就能進(jìn)行徹底，比如酸堿滴定，炸藥爆炸。

如何控制化學(xué)反應(yīng)的快慢尤其重要，比如我是化工廠廠長，我的生產(chǎn)中用的化學(xué)反應(yīng)要10天才能進(jìn)行徹底，但是我有種方法，可以加快它的反應(yīng)速率，1天搞定，這樣的話，我只用1天就能生產(chǎn)10天的貨，并且還節(jié)約了9天的工廠管理費(fèi)。另外，還有些化學(xué)反應(yīng)我并不希望它辣么快進(jìn)行，比如鋼鐵的腐蝕。

那么問題來了，化學(xué)反應(yīng)速率和什么有關(guān)呢？我們又該如何控制化學(xué)反應(yīng)速率呢？

談反應(yīng)速率，我們不如談?wù)勔粋€化學(xué)反應(yīng)的微觀過程，比如氫氣和氯氣生成氯化氫。假想一個密閉的容器里面，充滿了氫氣和氯氣，這些氣體都在做著無規(guī)則熱運(yùn)動。氫氣和氯氣要想發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫分子和氯分子就必須相互碰撞在一起，碰撞在一起還不一定能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須得是“有效碰撞”，大多數(shù)碰撞是“無效碰撞”，那么怎樣才能完成有效碰撞呢？就必須要讓分子活化，只有活化的分子才能完成有效碰撞，而讓分子活化，就必須給這個分子提供活化能。

氫氣和氯氣反應(yīng)機(jī)理

這個微觀過程就是，氫分子的氫氫鍵斷裂，氯分子的氯氯鍵斷裂，形成中間態(tài)氫和中間態(tài)氯原子，這個中間態(tài)的氫原子和氯原子才是能夠發(fā)生有效碰撞的活化分子（微粒），而要讓化學(xué)鍵斷裂，就必須提供能量，這個能量就可以看做為活化能。（但不是活化能），最終活化分子完成有效碰撞，形成新的化學(xué)鍵就會釋放出能量。（這只是一種假象過程，方便理解，更真實的情況是氫氣和氯化氫結(jié)合在一起形成過渡態(tài)分子，然后斷裂成兩個氯化氫。）

（by the way，這里就可以看出化學(xué)反應(yīng)和能量的關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)的微觀解釋就是有舊的化學(xué)鍵的斷裂和新的化學(xué)鍵的形成，斷鍵吸熱，成鍵放熱，因此一個化學(xué)反應(yīng)既有吸熱和放熱，但是如果吸收的熱大于放出的熱，它就是吸熱反應(yīng)，反之亦然。）

知道了這個微觀過程，我們就可以搞出兩個關(guān)鍵，有效碰撞和活化能，化學(xué)反應(yīng)速率就和這個有關(guān)系。

（其實化學(xué)反應(yīng)速率在《化學(xué)動力學(xué)》的研究范圍內(nèi)，真正的反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)的本征動力學(xué)以及傳質(zhì)動力學(xué)有關(guān)，而在本征動力學(xué)里面有個赫赫有名的方程，叫做阿倫尼烏斯方程，高中為了簡便只考察化學(xué)反應(yīng)本身的動力學(xué)，做了很多簡化）

如果我們讓有效碰撞變多，并且能夠降低活化能（降低分子達(dá)到活化狀態(tài)的門檻），這個反應(yīng)反應(yīng)是不是越容易進(jìn)行？看起來就是反應(yīng)速率加快了！

實際操作上，我們通過加熱，加壓，增大濃度這三個方面來提升分子的有效碰撞。加熱能夠讓分子熱運(yùn)動更加劇烈，發(fā)生有效碰撞的機(jī)會就會變大，同樣加壓和增大濃度就是讓分子在反應(yīng)體系中更加密集，碰撞在一起的概率就變大了。

另外還可以利用催化劑來降低反應(yīng)的活化能，實際上催化劑是參加進(jìn)了這個化學(xué)反應(yīng)，催化劑可能與某個反應(yīng)分子結(jié)合，讓它更容易到達(dá)活化狀態(tài)，因此反應(yīng)變得更加容易進(jìn)行了，而在反應(yīng)終點的時候，催化劑又脫離了反應(yīng)物。催化劑可以說就是一個默默無聞的貢獻(xiàn)者，送它一個好人卡！（此外什么超聲波啊，核輻射啊，光照啊，也能加快反應(yīng)速率，它們的本質(zhì)就是給分子提供了能量，讓其碰撞更激烈或者活化。）

稍微總結(jié)一下，化學(xué)反應(yīng)速率和幾個條件有關(guān)系，就是溫度、壓力、濃度和催化劑等，我們控制化學(xué)反應(yīng)速率也就是從這幾個角度下手。

催化反應(yīng)和無催化反應(yīng)的能量過程，反應(yīng)物首先要被活化才能反應(yīng)，達(dá)到活化狀態(tài)需要往上爬過一個“能壘”，然后才能轉(zhuǎn)化成生成物，這個“能壘”越低則更容易爬過去，催化劑就能降低這個“能壘”——活化能

對了，我們還忽略了化學(xué)反應(yīng)速率的表達(dá)式，我們選用單位時間，反應(yīng)物或者生成物的濃度的改變量，來表達(dá)反應(yīng)速率，v=△C/△t,時間單位常用分鐘，所以在高中反應(yīng)速率的單位通常是mol/(L·min)，談及反應(yīng)速率的表達(dá)式我們還要注意到這個和你選擇的物質(zhì)的有關(guān)，同樣的一個化學(xué)反應(yīng)，你選擇其中不同的物質(zhì)作為參考，得出的反應(yīng)速率也就不一樣。

之所以選擇濃度的改變量來作為反應(yīng)速率，是因為濃度方便測量，你要是選擇質(zhì)量、物質(zhì)的量或者壓強(qiáng)的改變量，其實本質(zhì)上是可以的。不過也不要給自己添亂子，安安分分地按照濃度來吧。

三、化學(xué)反應(yīng)的限度（化學(xué)平衡）

前面我花了很大篇章來談及化學(xué)反應(yīng)速率，不過最重要的還是在化學(xué)反應(yīng)限度這塊！就好比追女孩（原諒我喜歡用這個例子），你就算把他追到手了，更重要的是你和她的關(guān)系到底如何，好到如何程度？同樣對于一個化學(xué)反應(yīng)，我們也要知道它究竟能進(jìn)行到什么程度？

在前面的反應(yīng)速率里面，我提及到了當(dāng)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束時，怎么怎么樣，這個結(jié)束就可以看做為化學(xué)反應(yīng)限度。假設(shè)我還是一個化工廠廠長，這個廠生產(chǎn)合成氨，就是用氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生產(chǎn)氨氣，我在做實驗的時候，發(fā)現(xiàn)100g的氫氣，最后只有1g能夠轉(zhuǎn)化為氨氣，剩下的99g我就算放一萬年，它還是保持99g不變，無法繼續(xù)轉(zhuǎn)化為氨氣。

這時候我們稱為反應(yīng)達(dá)到了平衡，也就是這個反應(yīng)它達(dá)到了極限，再想讓它生產(chǎn)氨氣，你就必須改變條件了，要想馬兒跑，就必須給馬兒吃草。有點基礎(chǔ)的同學(xué)，就可能就要問啦，我記得化學(xué)平衡里面有什么可逆反應(yīng)。

對！就是可逆反應(yīng)，因為很多化學(xué)反應(yīng)不是說達(dá)到平衡就停止了！只是看起來停止了，實際上沒有。就好比睡得像豬一樣的人，看起來他沒有動靜，對外界的反應(yīng)也沒回應(yīng)，就像死掉了一樣，但是本質(zhì)上還是活著的！同樣對于一個達(dá)到反應(yīng)限度的可逆反應(yīng)，它已經(jīng)化學(xué)平衡了，看起來放一萬年沒啥變化，就像“死掉的化學(xué)反應(yīng)”，但是化學(xué)反應(yīng)依舊在進(jìn)行著，反應(yīng)物會不斷地變成生成物，同樣生成物也會不斷變成反應(yīng)物，這一些都在你眼皮子底下進(jìn)行著，你卻看不到也難以測量出來。是因為反應(yīng)物變成生成物，同樣生成物也會變成反應(yīng)物，正向反應(yīng)的速率和逆向反應(yīng)的速率是一樣的，所以反應(yīng)物以及生成物的質(zhì)量沒有改變。

這個就好比，你吃一碗黃燜雞花了20元，但是呢你做大掃除又賺到了20元，看起來你的總資金沒有變化，但是你的資金是在流動的，有支出也有收獲！

其實呢，對于所有的可逆反應(yīng)，一旦反應(yīng)開始進(jìn)行，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成生成物，這時候，不單單只有反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物這個過程，還有生成物轉(zhuǎn)化成反應(yīng)物這個過程，所以反應(yīng)還沒到達(dá)限度的時候，正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)是同時進(jìn)行的！我們只能看到反應(yīng)只能是正向進(jìn)行的，是因為正向反應(yīng)的速率大于逆向反應(yīng)是速率。

敲黑板，一個可逆反應(yīng)，從反應(yīng)開始到反應(yīng)達(dá)到限度處于平衡時候，正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)是同時存在的。并且直到平衡，正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)還存在，它的反應(yīng)速率是相等的且不為0.

對了，這時候好事的同學(xué)可能又要問了，你一直說化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行達(dá)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？可能它的反應(yīng)速率很慢啊，我測量的間隔太靠近了，看不出物質(zhì)還在改變啊，怎么解？還有有沒有啥標(biāo)準(zhǔn)來判斷反應(yīng)是達(dá)到了限度呢？

很好，問題到這里，我們就可以引出著名的平衡常數(shù)K，下面有請K老爺出場！

在一定溫度下，當(dāng)一個可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時，生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值是一個常數(shù)，這個常數(shù)就是該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)（簡稱平衡常數(shù)），用符號K表示。

至于化學(xué)平衡這個公式是怎么推導(dǎo)出來的，就不細(xì)講了，在大學(xué)里面，會引入化學(xué)勢的概念，可以說任何一本《無機(jī)化學(xué)》上面都會講它的來源。我們只用記住這個K,它的溫度函數(shù)，也就是說在不同的溫度下，化學(xué)反應(yīng)的限度是不一樣的。比如在20℃下達(dá)到了化學(xué)平衡，如果你把溫度升高到100℃那么它就是不平衡了。

有了這個K老爺，事情就好辦了，我們要判斷這個反應(yīng)是否達(dá)到了平衡，只需要查到在該溫度下的平衡常數(shù)，然后測量出反應(yīng)物和生成物的濃度，計算一下，看這個數(shù)值是不是等于K，如果小于K，顯然這個反應(yīng)沒有達(dá)到限度，還必須朝著正向進(jìn)行，如果大于K，則必須逆向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)。

K老爺出場后，勒夏特列老爺子也蠢蠢欲動了，剛才不是說嘛，在20℃下達(dá)到平衡的反應(yīng)，如果把它溫度升高到100℃，它就不平衡，而所有的可逆反應(yīng)都要朝著平衡的方向移動，所以改變溫度后，這個反應(yīng)會朝著100℃平衡狀態(tài)移動。

那么究竟怎么移動呢？

勒夏特列老爺子總結(jié)了大量的事實，提出了平衡移動原則：如果改變影響平衡的條件之一（如溫度、壓強(qiáng)，以及參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的濃度），平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動。

其實非常好理解，你可以把這個平衡的可逆反應(yīng)想象成一個叛逆的小孩子，它達(dá)到了平衡已經(jīng)滿足了，你想改變它什么，它就要反著跟你斗！

我：“你這產(chǎn)物也太少了，不行我要增加反應(yīng)物的濃度！”

可逆反應(yīng)：“啥？敢隨便動爺好不容易完成的平衡，我偏不要你增加反應(yīng)物，我得正向移動減少反應(yīng)物?！?/p>

我：“溫度太低，我要升溫”

可逆反應(yīng)：“啥？你要升溫，經(jīng)過爺?shù)脑试S沒？看我把熱量吸走！”

但是呢，它終究是斗不過你的，它只能減弱這種改變，但是無法消除這種改變，你降低溫度，平衡朝著放熱的方向進(jìn)行，但是杯水車薪，反應(yīng)體系的溫度最終是會降低，它改變不了這個事實。

值得一提的事，勒夏特列原理是適用于已經(jīng)達(dá)到平衡的可逆反應(yīng)！敲黑板“已經(jīng)達(dá)到平衡”，那么對于沒有達(dá)到平衡的可逆反應(yīng)，你這樣改變它是沒有意義的。

從勒夏特列原理，我們可以看到改變一個已經(jīng)平衡的可逆反應(yīng)，可以通過改變溫度、濃度、壓強(qiáng)這幾種方法來實現(xiàn)。這幾種方法是不是很像之前講的改變化學(xué)反應(yīng)速率的方法？但是呢，有個問題，改變化學(xué)反應(yīng)速率的方法中有個很重要的就是可以加催化劑，那催化劑能不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡呢？

其實能把反應(yīng)速率和平衡移動的改變方法聯(lián)系到一起，你已經(jīng)很接近答案了！勒夏特列原理的本質(zhì)就是通過改變一方反應(yīng)的速率，從而讓平衡移動。

前面我們說到，一個平衡的可逆反應(yīng)，它的正向反應(yīng)速率和逆向反應(yīng)速率是一樣的，有多少反應(yīng)物生成，就有多少反應(yīng)物消耗掉。通過改變濃度或者壓強(qiáng)，讓一方的反應(yīng)速率大于另外一方，這樣反應(yīng)就會一方的方向進(jìn)行。如果是改變溫度的話，溫度會同時影響正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率，但是溫度會影響到K老爺（平衡常數(shù)），這樣正向或者逆向反應(yīng)速率的變化值不一樣，它就會朝著新溫度下的平衡的方向進(jìn)行。那么對于催化劑，催化劑加到一個已經(jīng)平衡的可逆反應(yīng)中，它確實能加快反應(yīng)速率，但是正向反應(yīng)速率和逆向反應(yīng)速率都是加的一樣多的，所以最后正向和逆向反應(yīng)速率還是一樣的，還是保持平衡！

正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)，這個就好比甲乙兩方打架，兩個實力一樣，勝負(fù)難分，你給他們同樣的武器，也只是同等地增加它們的戰(zhàn)斗力，還是勝負(fù)難分。除非你給甲方小刀，給乙方自動步槍，乙方才能壓倒甲方。