动力学与平衡导论

Q: 学习本Edexcel IAL U2主题需要计算速率常数吗？

不需要。速率方程、速率常数、反应级数和半衰期超出了本第二单元主题的范围，这些内容仅在第四单元第11主题中涉及。你只需要使用或浓度-时间图像的切线斜率来计算速率。

Q: 催化剂会改变麦克斯韦-玻尔兹曼分布曲线吗？

不会。催化剂只会降低活化能，在现有分布曲线上将的阈值向左移动。它不会改变麦克斯韦-玻尔兹曼曲线本身的形状或面积。温度变化才会改变曲线的形状。

Edexcel 国际A-Level 化学· 9.1–9.11 (Unit 2 WCH12)· 25 分钟阅读

1. 碰撞理论与反应速率计算★★☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

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
1. 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
1. 反应速率将大约加倍。

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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
显示答案
1 —
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。

2. 麦克斯韦-玻尔兹曼分布与温度效应★★★☆☆⏱ 5 min

📘 定义

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
1. 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
1. 将 $E_{a}$ 标记为位于两个峰值右侧的竖直线。
4
1. 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。

Exam tip:

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。

3. 催化剂与反应历程图★★★☆☆⏱ 5 min

📘 定义

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
1. 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
1. 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
1. 将焓变ΔH标记为反应物和产物能量之间的垂直差值。

4. 动态平衡与勒夏特列原理★★★☆☆⏱ 6 min

📘 定义

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： $N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇌ 2 N H_{3} (g) Δ H = - 92 k J m o l^{- 1}$ 。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
1. 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
1. 平衡向右移动，提高氨的产率。

5. 工业折中条件★★☆☆☆⏱ 4 min

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
1. 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
1. 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。

6. 常见陷阱

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 $s^{- 1}$ 。

7. 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

8. 常见问题

学习本Edexcel IAL U2主题需要计算速率常数吗？

不需要。速率方程、速率常数、反应级数和半衰期超出了本第二单元主题的范围，这些内容仅在第四单元第11主题中涉及。你只需要使用 $1/ 时间$ 或浓度-时间图像的切线斜率来计算速率。

催化剂会改变麦克斯韦-玻尔兹曼分布曲线吗？

不会。催化剂只会降低活化能 $E_{a}$ ，在现有分布曲线上将 $E_{a}$ 的阈值向左移动。它不会改变麦克斯韦-玻尔兹曼曲线本身的形状或面积。温度变化才会改变曲线的形状。

什么样的勒夏特列原理解释在考试中能拿到满分？

要拿到满分你必须说明三个部分：1. 施加给平衡体系的变化，2. 平衡为抵消该变化而移动的方向，3. 可观测的效果（例如更高的产物产率、更深的溶液颜色）。

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syllabusEdexcel IAL 化学第二单元官方考纲第9主题（9.1-9.11）的官方考纲文件

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。