选择性必修1 第二章 化学反应速率与化学平衡
人教版（2019）选择性必修1《化学反应原理》 · 河南高二。
本章是高中化学的定量核心，速率大小与平衡移动的判断几乎每卷必考，图像题与计算题占分很重。
1 知识点总结
1.1 化学反应速率
化学反应速率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：
$$ v = \frac{\Delta c}{\Delta t} $$
单位常用 $\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$ 或 $\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot min^{-1}}$。同一反应中，用不同物质表示的速率之比等于化学计量数之比：
$$ \mathrm{\text{对于}\ } aA + bB \to cC + dD,\qquad v_A : v_B : v_C : v_D = a : b : c : d $$
所以比较速率大小时，一定要先换算到同一种物质。
1.2 影响速率的因素
外界条件通过改变单位体积内的有效碰撞次数来改变速率。
- 浓度：增大反应物浓度，单位体积内活化分子总数增多，速率加快。改变固体或纯液体的用量不影响速率。
- 压强：对有气体参加的反应，增大压强相当于增大浓度，速率加快。
- 温度：升温使活化分子百分数增大，速率显著加快。一般温度每升高 10℃，速率约增大到原来的 2 到 4 倍。
- 催化剂：降低反应活化能，使活化分子百分数增大，速率加快。
这里要分清活化分子数与活化分子百分数。升温使两者都增大；增大浓度只增大前者，后者不变。
例 1 在 2 L 密闭容器中合成氨。2 min 内 $\mathrm{N_2}$ 的物质的量由 2 mol 降到 1.4 mol，求用 $\mathrm{N_2}$ 和 $\mathrm{NH_3}$ 表示的速率。
解：$\Delta c(\mathrm{N_2}) = (2 - 1.4)/2 = 0.3\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$。
$$ v(\mathrm{N_2}) = \frac{0.3}{2} = 0.15\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot min^{-1}} $$
反应为 $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3}$，故
$$ v(\mathrm{NH_3}) = 2\,v(\mathrm{N_2}) = 0.30\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot min^{-1}} $$
1.3 化学平衡状态
可逆反应在同一条件下既能正向进行又能逆向进行。当正反应速率与逆反应速率相等，各物质浓度不再变化，体系就达到化学平衡状态。
平衡的四个特征：逆（可逆反应）、等（$v_{\text{正}}=v_{\text{逆}}$）、动（动态平衡）、定（各组分浓度不变）。
判断是否达到平衡，要看某个量是不是「变量」。若某量在整个过程中一直不变，就不能作判据，比如恒容下密闭容器的气体总质量。
1.4 化学平衡常数
对反应 $aA(g)+bB(g)\rightleftharpoons cC(g)+dD(g)$，
$$ K = \frac{c^c(C)\,c^d(D)}{c^a(A)\,c^b(B)} $$
固体和纯液体的浓度视为常数，不写进表达式。$K$ 只随温度变化，与浓度、压强、催化剂都无关。$K$ 越大，正反应进行得越彻底。
平衡转化率：
$$ \alpha = \frac{\text{已转化的量}}{\text{起始的量}} \times 100\% $$
例 2 一定温度下 $\mathrm{H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI}$，起始 $c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=0.10\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$，平衡时 $c(\mathrm{HI})=0.15\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$，求 $K$。
解：设消耗的 $\mathrm{H_2}$ 为 $x$。
| $\mathrm{H_2}$ | $\mathrm{I_2}$ | $\mathrm{HI}$ | |
|---|---|---|---|
| 起始 | 0.10 | 0.10 | 0 |
| 变化 | $x$ | $x$ | $2x$ |
| 平衡 | $0.10-x$ | $0.10-x$ | $2x$ |
由 $2x=0.15$ 得 $x=0.075$，平衡时 $c(\mathrm{H_2})=c(\mathrm{I_2})=0.025\ \mathrm{mol\cdot L^{-1}}$。
$$ K = \frac{0.15^2}{0.025 \times 0.025} = 36 $$
1.5 勒夏特列原理
改变影响平衡的一个条件，平衡将向减弱这种改变的方向移动。
- 增大反应物浓度，平衡正向移动。
- 增大压强，平衡向气体总物质的量减小的方向移动；反应前后气体体积不变的反应，改变压强平衡不移动。
- 升高温度，平衡向吸热方向移动。
- 催化剂同等加快正逆反应速率，不使平衡移动，只缩短达到平衡的时间。
1.6 化学反应的方向
自发的反应指在一定条件下不需要外界做功就能进行的反应。判断方向有两个判据。焓判据看 $\Delta H$，放热有利于自发；熵判据看 $\Delta S$，熵增（混乱度增大）有利于自发。两者有时矛盾，综合判断用吉布斯函数：
$$ \Delta G = \Delta H - T\Delta S $$
$\Delta G<0$ 时反应自发，$\Delta G>0$ 时不自发，$\Delta G=0$ 时达到平衡。
1.7 化学反应的调控
以工业合成氨为例：
$$ \mathrm{N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)} \qquad \Delta H < 0 $$
正反应放热且气体体积减小，低温高压有利于提高转化率。温度太低反应速率慢、催化剂活性不足，压强太高则设备成本陡增。实际采用约 400 到 500℃、10 到 30 MPa、铁触媒，并及时分离 $\mathrm{NH_3}$、循环利用未反应的气体。调控的原则是兼顾转化率、速率与生产成本。
2 易错题总结
| 易错点 | 常见错法 | 正确做法 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 速率之比 | 任意两物质的速率直接比较 | 先按计量数换算到同一物质再比较 | 速率之比等于化学计量数之比 |
| 平衡常数表达式 | 把固体、纯液体写进 $K$ | 只写气体和溶液中溶质的浓度 | 固体纯液体的浓度视为常数 |
| $K$ 的影响因素 | 认为增大浓度或压强 $K$ 变大 | $K$ 只随温度变化 | $K$ 只与温度有关 |
| 压强对平衡的影响 | 认为增大压强平衡一定移动 | 先看气体计量数差，无差则不动 | 无气体体积差的反应压强不影响平衡 |
| 平衡判据 | 把恒容下气体总质量当判据 | 选过程中会变的量作判据 | 始终不变的量判不了平衡 |
| 催化剂与平衡 | 认为催化剂使平衡向正反应移动 | 催化剂只加快速率，不移动平衡 | 正逆速率同等加快 |
| $K$ 与转化率 | 把平衡常数当成转化率 | 二者含义不同，$K$ 由温度定 | 转化率还与投料比有关 |
2.1 易错典型题
题 某温度下，在恒容容器中进行 $\mathrm{2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)}$，达到平衡后增大压强，平衡如何移动。
错法：认为压强增大，正反应速率增大，所以平衡正向移动。只看正反应，不看逆反应。
正解：反应前气体共 3 mol，反应后 2 mol，正反应使气体总物质的量减小。增大压强，平衡向气体总物质的量减小的方向移动，即正向移动。判断的关键是正逆速率的相对大小：加压瞬间正逆速率都增大，正反应增得更多。
要点：判断平衡移动只看正逆速率的相对大小，单看正反应速率变大不够；气体体积不变的反应加压后正逆速率同等增大，平衡不移动。