# 动力学与平衡导论

> Edexcel 国际A-Level 化学 · IAL 化学 U2
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u2-introduction-to-kinetics-and-equilibria/

本指南涵盖Edexcel IAL化学第二单元第9主题的所有定性内容，包括碰撞理论、麦克斯韦-玻尔兹曼分布、动态平衡、定性勒夏特列原理以及工业反应折中条件。

**先修:** [基础的原子和分子碰撞概念](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u1-structure-of-the-atom/); [对放热反应和吸热反应的理解](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-ial-chemistry-u2-energetics/)

## 学习目标

- 运用碰撞理论解释浓度、温度、压强和表面积对反应速率的影响
- 解读麦克斯韦-玻尔兹曼分布曲线，解释温度和催化剂对反应速率的影响
- 使用1/时间法和切线斜率法计算反应速率
- 定义动态平衡并应用勒夏特列原理预测平衡位置的移动
- 论证兼顾反应产率和速率的工业折中条件的合理性

## 碰撞理论与反应速率计算

**碰撞理论** — 解释反应速率的模型：当反应物粒子以足够的能量（≥活化能$E_a$）和正确的取向发生碰撞，从而断裂旧键并形成产物时，反应就会发生。

四个关键因素会影响成功碰撞的频率，进而影响反应速率：浓度/压强（数值越高=单位体积内的粒子数越多=碰撞更多）、温度（温度越高=粒子运动越快，高能碰撞更多）、表面积（表面积越大=可用于碰撞的暴露反应物粒子越多），以及催化剂的存在。

**例题:** 一名学生探究镁条与稀盐酸之间的反应速率。他们记录生成10 cm³氢气所需的时间，测得时间为25 s。计算该反应的相对速率，并说明如果将酸替换为两倍浓度的酸，反应速率会发生什么变化。

1. 1. 使用速率=1/时间的公式计算相对速率：
2. $$r = \frac{1}{t} = \frac{1}{25} = 0.04 \, s^{-1}$$
3. 2. 将盐酸的浓度加倍会增加单位体积内的H+离子数量，这会增加Mg和H+粒子之间成功碰撞的频率。
4. 3. 反应速率将大约加倍。

**概念自测**

1. 为什么增大固体反应物的表面积会提高反应速率？

   - 它会提高反应的活化能
   - 它增加了可用于碰撞的暴露反应物粒子的数量
   - 它提高了反应物粒子的平均动能
   - 它改变了碰撞的取向

   *答案:* 它增加了可用于碰撞的暴露反应物粒子的数量

   *解析:* 错误：表面积不会影响活化能或粒子动能，它只会暴露更多粒子以发生碰撞。

## 麦克斯韦-玻尔兹曼分布与温度效应

**麦克斯韦-玻尔兹曼分布** — 展示固定温度下气体（或溶液）粒子动能分布的图像。曲线下的面积等于粒子总数，对于封闭体系来说该数值保持恒定。

曲线的关键特征：峰值代表最概然动能，平均能量位于峰值的右侧，只有能量≥$E_a$的那部分粒子才能成功反应。当温度升高时：曲线向右移动，峰值变低变宽，曲线下的面积保持不变，能量≥$E_a$的粒子占比显著增加，从而导致反应速率加快。

**例题:** 绘制并标注298 K和310 K下反应的麦克斯韦-玻尔兹曼曲线对比图，标记活化能$E_a$，并解释温度升高对反应速率的影响。

1. 1. 绘制298 K的曲线：在较低动能处有更高、更窄的峰值。
2. 2. 绘制310 K的曲线：峰值更低、更宽，向更高动能处偏移，两条曲线都从原点开始，并在高能处向x轴渐近。
3. 3. 将$E_a$标记为位于两个峰值右侧的竖直线。
4. 4. 310 K下$E_a$右侧的曲线下面积远大于298 K下的面积：有更大比例的粒子拥有足够的能量发生成功碰撞，因此速率加快。

> **考试提示:** 在考试作答时一定要说明M-B曲线下的面积是恒定的（等于粒子总数），这是一个常见的得分点。

## 催化剂与反应历程图

**催化剂** — 一种能加快化学反应速率却不会在反应中被消耗的物质。它通过提供活化能$E_a$更低的替代反应路径来实现该效果。

反应历程图（能级图）展示反应物形成产物过程中的能量变化。对于无催化的反应，峰值能量等于原路径的活化能。对于有催化的反应，峰值更低，如果催化剂与反应物形成临时中间体，图中可能会显示中间能级。催化剂不会影响反应的焓变，也不会影响平衡位置：它们只会加快达到平衡的速率。

**例题:** 为放热反应绘制反应历程图，同时显示有催化和无催化的反应路径，并标注两条路径的活化能。

1. 1. 画一条水平线表示反应物能量，一条更低的水平线表示产物能量（因为反应是放热的，ΔH为负）。
2. 2. 为无催化路径画一条从反应物到产物的高曲线峰：将反应物能量和峰值之间的垂直差值标记为$E_a$(无催化)。
3. 3. 为有催化路径画一个更低的曲线峰（或两个显示中间体的更小峰）：将反应物能量和更低峰值之间的垂直差值标记为$E_a$(有催化)。
4. 4. 将焓变ΔH标记为反应物和产物能量之间的垂直差值。

> **info**
>
> 工业催化剂可以降低反应所需的温度和压强，减少能源消耗、温室气体排放和运营成本，提升工艺的可持续性。

## 动态平衡与勒夏特列原理

**动态平衡** — 封闭可逆反应体系中的一种状态，此时正反应速率等于逆反应速率，因此反应物和产物的浓度保持恒定（它们并不相等，只是不发生变化）。

勒夏特列原理指出，如果对处于动态平衡的体系施加一个变化，平衡位置将发生移动以抵消该变化。本主题中你只需要对均相体系（所有反应物和产物处于同一状态）定性应用该原理：1. 浓度：提高反应物浓度→向右移动以消耗多余的反应物；提高产物浓度→向左移动以消耗多余的产物。2. 压强（仅适用于气体体系）：增大压强→向气体分子数更少的一侧移动以降低压强；减小压强→向气体分子数更多的一侧移动。3. 温度：升高温度→向吸热方向移动以吸收多余的热量；降低温度→向放热方向移动以释放热量。

**例题:** 考虑均相气体平衡：$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g) \quad \Delta H = -92 \, kJ \, mol^{-1}$。预测并说明增大压强对平衡位置的影响。

1. 1. 计算两侧的气体物质的量：左侧=1+3=4 mol气体，右侧=2 mol气体。
2. 2. 增大压强会使平衡向气体分子数更少的一侧移动，以抵消压强的升高。
3. 3. 平衡向右移动，提高氨的产率。

**考试命令词**

平衡类问题的关键指令术语：

- **Predict** — 说明平衡移动的方向（左/右/不移动） *(Predict温度升高对产物平衡产率的影响。)*

- **Justify** — 使用勒夏特列原理解释移动过程，引用施加的变化以及移动抵消该变化的方式。 *(Justify压强升高时你对平衡移动的预测。)*

## 工业折中条件

工业化学工艺需要平衡三个关键因素：最高产率、快反应速率和低运营成本。最优条件通常是这些因素之间的折中，因为能提高速率的条件可能会降低产率，反之亦然。例如，哈伯法（合成氨生产）使用中等温度、高压和铁催化剂来平衡产率、速率和成本。

**例题:** 对于哈伯法平衡（正反应放热），解释为什么使用约450°C的中等温度，而不是低得多的温度，尽管更低的温度能获得更高的氨平衡产率。

1. 1. 更低的温度会使平衡向右移动以获得更高的氨产率，但反应速率会非常慢，因为拥有能量≥$E_a$的粒子更少。
2. 2. 极高的温度会加快反应速率，但会使平衡向左移动，大幅降低氨的产率。
3. 3. 450°C的中等温度是一个折中方案：它能提供足够快的反应速率，同时仍能产出可接受的氨产率，尤其是搭配铁催化剂可以进一步提高速率。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称催化剂会移动平衡位置或提高产物产率。
  - 原因: 催化剂只会同等程度地加快正逆反应速率，因此它们不会影响平衡位置或产率，只会缩短达到平衡所需的时间。
  - 正确做法: 说明催化剂降低活化能、提高反应速率，但对平衡产率或位置没有影响。
- **错误做法:** 声称升高温度是通过增加粒子总数来提高能量≥$E_a$的粒子数量的。
  - 原因: 封闭体系中的粒子总数是恒定的。更高的温度提高的是能量≥$E_a$的粒子占比，而不是粒子的总数。
  - 正确做法: 解释更高的温度会使麦克斯韦-玻尔兹曼分布向右移动，提高能量≥$E_a$的粒子占比，从而产生更多成功碰撞。
- **错误做法:** 声称动态平衡时反应物和产物的浓度相等。
  - 原因: 动态平衡时浓度是**恒定**的（不发生变化），而不是相等的。浓度的比值取决于反应和条件。
  - 正确做法: 将动态平衡定义为正逆反应速率相等，从而导致反应物和产物浓度恒定的状态。
- **错误做法:** 将压强变化的影响应用到仅包含固体或液体的平衡体系中。
  - 原因: 压强变化只会影响气体粒子的体积（进而影响浓度）；固体和液体的体积随压强的变化可以忽略不计。
  - 正确做法: 仅将压强移动规则应用于均相气体平衡体系，计算方程式两侧的气体物质的量即可。
- **错误做法:** 将反应速率计算为速率=时间，而不是用速率=1/时间来计算相对速率。
  - 原因: 反应越快耗时越短，因此速率与生成固定量产物所需的时间成反比。
  - 正确做法: 将相对速率计算为耗时的倒数，如果时间以秒为单位，则速率的单位为$s^{-1}$。

## 速查表

| 概念 | 核心考点 |
| --- | --- |
| 碰撞理论 | 成功碰撞需要≥Eₐ且取向正确 |
| 速率计算 | 相对速率=1/时间；速率=浓度-时间图像切线的斜率 |
| 麦克斯韦-玻尔兹曼（更高T） | 曲线右移，峰值更低，≥Eₐ的粒子占比更高 |
| 催化剂的效果 | 降低Eₐ，不改变M-B曲线，对平衡产率无影响 |
| 动态平衡 | 正反应速率=逆反应速率，反应物/产物浓度恒定（非相等） |
| 勒夏特列：压强升高 | 向气体分子数更少的一侧移动（仅适用于气体体系） |
| 勒夏特列：温度升高 | 向吸热方向移动以吸收热量 |
| 工业折中条件 | 平衡产率、速率和运营成本以获得最优条件 |

## 下一步

现在你已经掌握了Edexcel IAL化学第二单元中动力学和平衡的定性基础，你可以继续学习本单元中更高级的化学主题，包括主族化学和卤代烃反应。这些内容也构成了你将在IAL化学第四单元中遇到的定量动力学和平衡计算的基础，届时你将学习使用速率方程、速率常数和平衡常数来解决数值问题。请务必练习本定性内容的历年真题，熟悉常见的考试表述和评分标准要求。

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