如何簡(jiǎn)單理解實(shí)驗(yàn)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(guò)程。

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

一個(gè)追女孩子的過(guò)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(gè)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(shí)候就要看我追她需要多長(zhǎng)時(shí)間吧，總不能讓我等個(gè)半輩子，才同意做我女朋友，這時(shí)候黃花菜都蔫了。就算追到手，我還得好好培養(yǎng)感情對(duì)不對(duì)，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(gè)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(gè)法寶：

一、 判斷追到女神有沒(méi)有可能性（這個(gè)是你在實(shí)施追求的前提，也是你能追到女神的“推動(dòng)力”）

二、 追到女神需要多長(zhǎng)時(shí)間（追求的速率問(wèn)題，是快還是慢？）

三、 追到女神后和女生的親密程度（戀愛(ài)可持續(xù)化的保證）

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

其實(shí)人類(lèi)研究很多事物的過(guò)程都是類(lèi)似，追到手有沒(méi)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(guò)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(wèn)題，問(wèn)的就是追女孩的核心，哦不，化學(xué)反應(yīng)的核心！這三大問(wèn)題來(lái)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(gè)化學(xué)反應(yīng)能不能發(fā)生，就是化學(xué)反應(yīng)的方向問(wèn)題，化學(xué)反應(yīng)能不能朝這個(gè)方向進(jìn)行。談能不能發(fā)生，我們不如把眼光放遠(yuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)，自然界中有很多奇妙的過(guò)程，天會(huì)下雨，石頭從高處落地，水往低處流，無(wú)論是人的生老病死還是自然界的花開(kāi)花落，這些過(guò)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(diǎn)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?yàn)樗?a data-mid="278" href="http://m.unityask.cn/a/5056.html">不符合這個(gè)“自然而然”，我們稱(chēng)這個(gè)反應(yīng)沒(méi)有自發(fā)性。

自然界中有兩大規(guī)律，一個(gè)是能量越低越穩(wěn)定，另外一個(gè)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(shì)能大，所以它就有往低處落的傾向，釋放重力勢(shì)能。低處的石頭是不會(huì)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(huì)自然而然變亂，整齊的頭發(fā)你不管它也會(huì)變亂，有序的花瓣最終會(huì)散亂，一個(gè)骯臟的房間不會(huì)自動(dòng)變清潔。你想要事情變整潔，有條理，有秩序，就必須與這個(gè)自然法則對(duì)抗，付出的代價(jià)就是額外做功。

在化學(xué)反應(yīng)中，用焓變（△H）來(lái)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)能量的變化，用熵變（△S）來(lái)反應(yīng)它的混亂度的變化，綜合這兩點(diǎn)，提出的吉布斯自由能判據(jù)（△G=△H-T△S）來(lái)判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)究竟能不能自然而然發(fā)生。顯然如果一個(gè)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(gè)化學(xué)反應(yīng)能不能進(jìn)行，是我們研究這個(gè)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(shí)可能發(fā)生，但是需要用掉上萬(wàn)年的時(shí)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(zhǎng)，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(wèn)題來(lái)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€(gè)化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，比如氫氣和氯氣生成氯化氫。假想一個(gè)密閉的容器里面，充滿了氫氣和氯氣，這些氣體都在做著無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。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(wú)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(gè)分子提供活化能。

氫氣和氯氣反應(yīng)機(jī)理

這個(gè)微觀過(guò)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(gè)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(gè)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(huì)釋放出能量。（這只是一種假象過(guò)程，方便理解，更真實(shí)的情況是氫氣和氯化氫結(jié)合在一起形成過(guò)渡態(tài)分子，然后斷裂成兩個(gè)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(gè)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(gè)微觀過(guò)程，我們就可以搞出兩個(gè)關(guān)鍵，有效碰撞和活化能，化學(xué)反應(yīng)速率就和這個(gè)有關(guān)系。

（其實(shí)化學(xué)反應(yīng)速率在《化學(xué)動(dòng)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(dòng)力學(xué)以及傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)有關(guān)，而在本征動(dòng)力學(xué)里面有個(gè)赫赫有名的方程，叫做阿倫尼烏斯方程，高中為了簡(jiǎn)便只考察化學(xué)反應(yīng)本身的動(dòng)力學(xué)，做了很多簡(jiǎn)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(mén)檻），這個(gè)反應(yīng)反應(yīng)是不是越容易進(jìn)行？看起來(lái)就是反應(yīng)速率加快了！

實(shí)際操作上，我們通過(guò)加熱，加壓，增大濃度這三個(gè)方面來(lái)提升分子的有效碰撞。加熱能夠讓分子熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，發(fā)生有效碰撞的機(jī)會(huì)就會(huì)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(lái)降低反應(yīng)的活化能，實(shí)際上催化劑是參加進(jìn)了這個(gè)化學(xué)反應(yīng)，催化劑可能與某個(gè)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(diǎn)的時(shí)候，催化劑又脫離了反應(yīng)物。催化劑可以說(shuō)就是一個(gè)默默無(wú)聞的貢獻(xiàn)者，送它一個(gè)好人卡?。ù送馐裁?a data-mid="1435" href="http://m.unityask.cn/a/599.html">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(gè)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(gè)角度下手。

催化反應(yīng)和無(wú)催化反應(yīng)的能量過(guò)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(guò)一個(gè)“能壘”，然后才能轉(zhuǎn)化成生成物，這個(gè)“能壘”越低則更容易爬過(guò)去，催化劑就能降低這個(gè)“能壘”——活化能

對(duì)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(shí)間，反應(yīng)物或者生成物的濃度的改變量，來(lái)表達(dá)反應(yīng)速率，v=△C/△t,時(shí)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(gè)和你選擇的物質(zhì)的有關(guān)，同樣的一個(gè)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(lái)作為反應(yīng)速率，是因?yàn)闈舛确奖?a data-mid="443" href="http://m.unityask.cn/a/1531.html">測(cè)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(shí)本質(zhì)上是可以的。不過(guò)也不要給自己添亂子，安安分分地按照濃度來(lái)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(lái)談及化學(xué)反應(yīng)速率，不過(guò)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(gè)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(duì)于一個(gè)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(shí)，怎么怎么樣，這個(gè)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(gè)化工廠廠長(zhǎng)，這個(gè)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(shí)驗(yàn)的時(shí)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(wàn)年，它還是保持99g不變，無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)化為氨氣。

這時(shí)候我們稱(chēng)為反應(yīng)達(dá)到了平衡，也就是這個(gè)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(diǎn)基礎(chǔ)的同學(xué)，就可能就要問(wèn)啦，我記得化學(xué)平衡里面有什么可逆反應(yīng)。

對(duì)！就是可逆反應(yīng)，因?yàn)楹芏嗷瘜W(xué)反應(yīng)不是說(shuō)達(dá)到平衡就停止了！只是看起來(lái)停止了，實(shí)際上沒(méi)有。就好比睡得像豬一樣的人，看起來(lái)他沒(méi)有動(dòng)靜，對(duì)外界的反應(yīng)也沒(méi)回應(yīng)，就像死掉了一樣，但是本質(zhì)上還是活著的！同樣對(duì)于一個(gè)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(lái)放一萬(wàn)年沒(méi)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(huì)不斷地變成生成物，同樣生成物也會(huì)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(cè)量出來(lái)。是因?yàn)榉磻?yīng)物變成生成物，同樣生成物也會(huì)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(méi)有改變。

這個(gè)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(lái)你的總資金沒(méi)有變化，但是你的資金是在流動(dòng)的，有支出也有收獲！

其實(shí)呢，對(duì)于所有的可逆反應(yīng)，一旦反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成生成物，這時(shí)候，不單單只有反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物這個(gè)過(guò)程，還有生成物轉(zhuǎn)化成反應(yīng)物這個(gè)過(guò)程，所以反應(yīng)還沒(méi)到達(dá)限度的時(shí)候，正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的！我們只能看到反應(yīng)只能是正向進(jìn)行的，是因?yàn)檎蚍磻?yīng)的速率大于逆向反應(yīng)是速率。

敲黑板，一個(gè)可逆反應(yīng)，從反應(yīng)開(kāi)始到反應(yīng)達(dá)到限度處于平衡時(shí)候，正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)是同時(shí)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(duì)了，這時(shí)候好事的同學(xué)可能又要問(wèn)了，你一直說(shuō)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(cè)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(méi)有啥標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷反應(yīng)是達(dá)到了限度呢？

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

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

至于化學(xué)平衡這個(gè)公式是怎么推導(dǎo)出來(lái)的，就不細(xì)講了，在大學(xué)里面，會(huì)引入化學(xué)勢(shì)的概念，可以說(shuō)任何一本《無(wú)機(jī)化學(xué)》上面都會(huì)講它的來(lái)源。我們只用記住這個(gè)K,它的溫度函數(shù)，也就是說(shuō)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(gè)K老爺，事情就好辦了，我們要判斷這個(gè)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(cè)量出反應(yīng)物和生成物的濃度，計(jì)算一下，看這個(gè)數(shù)值是不是等于K，如果小于K，顯然這個(gè)反應(yīng)沒(méi)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(chǎng)后，勒夏特列老爺子也蠢蠢欲動(dòng)了，剛才不是說(shuō)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(dòng)，所以改變溫度后，這個(gè)反應(yīng)會(huì)朝著100℃平衡狀態(tài)移動(dòng)。

那么究竟怎么移動(dòng)呢？

勒夏特列老爺子總結(jié)了大量的事實(shí)，提出了平衡移動(dòng)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(dòng)。

其實(shí)非常好理解，你可以把這個(gè)平衡的可逆反應(yīng)想象成一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(guò)爺?shù)脑试S沒(méi)？看我把熱量吸走！”

但是呢，它終究是斗不過(guò)你的，它只能減弱這種改變，但是無(wú)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(chē)薪，反應(yīng)體系的溫度最終是會(huì)降低，它改變不了這個(gè)事實(shí)。

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(duì)于沒(méi)有達(dá)到平衡的可逆反應(yīng)，你這樣改變它是沒(méi)有意義的。

從勒夏特列原理，我們可以看到改變一個(gè)已經(jīng)平衡的可逆反應(yīng)，可以通過(guò)改變溫度、濃度、壓強(qiáng)這幾種方法來(lái)實(shí)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(gè)問(wèn)題，改變化學(xué)反應(yīng)速率的方法中有個(gè)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(shí)能把反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)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(guò)改變一方反應(yīng)的速率，從而讓平衡移動(dòng)。

前面我們說(shuō)到，一個(gè)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(guò)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(huì)一方的方向進(jìn)行。如果是改變溫度的話，溫度會(huì)同時(shí)影響正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率，但是溫度會(huì)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(huì)朝著新溫度下的平衡的方向進(jìn)行。那么對(duì)于催化劑，催化劑加到一個(gè)已經(jīng)平衡的可逆反應(yīng)中，它確實(shí)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(gè)就好比甲乙兩方打架，兩個(gè)實(shí)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(dòng)步槍?zhuān)曳讲拍軌旱辜追健?/p>