有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡中幾個(gè)概念的探討

楊 帆

（湖州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 浙江 湖州 313000）

一、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)反應(yīng)速度

在化學(xué)教材和論文中，經(jīng)?？梢?jiàn)到化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)速度這兩個(gè)詞語(yǔ)，它們常被用來(lái)表達(dá)相同的含義，即化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行快慢的程度。但是，物理學(xué)上速率和速度是兩個(gè)不同的概念。速率是一個(gè)標(biāo)量，標(biāo)量是有大小而無(wú)方向的量；而速度卻是失量，既說(shuō)明大小又表明方向。所以，速率僅為絕對(duì)大小，不會(huì)有表現(xiàn)方向的正或負(fù)；而速度則不然，可能是正值或負(fù)值，代表了兩個(gè)相反的方向。當(dāng)然，化學(xué)反應(yīng)多數(shù)都是可逆反應(yīng)，的確是存在兩個(gè)不同的方向，但是，化學(xué)反應(yīng)的方向是化學(xué)熱力學(xué)重點(diǎn)討論的問(wèn)題。而化學(xué)反應(yīng)速率則是化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的主要問(wèn)題，在數(shù)值上僅表現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢，而不反映進(jìn)行的方向。

在中學(xué)課本中，化學(xué)反應(yīng)速率是采用反應(yīng)物或生成物的濃度隨著時(shí)間的變化率來(lái)表示。公式如下：

對(duì)于反應(yīng)物，濃度的變化為減少量，化學(xué)反應(yīng)速率即是反應(yīng)物的消耗速率；對(duì)于生成物，濃度變化為增加量，化學(xué)反應(yīng)速率即是生成物的增加速率。無(wú)論以哪個(gè)物質(zhì)來(lái)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率，濃度變化均取正值，所以化學(xué)反應(yīng)速率也絕不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

所以，在語(yǔ)言上使用化學(xué)反應(yīng)速率比化學(xué)反應(yīng)速度更合理，建議摒棄化學(xué)反應(yīng)速度的用法而統(tǒng)一使用化學(xué)反應(yīng)速率這一術(shù)語(yǔ)。并且建議在公式中加絕對(duì)值符號(hào)，即

濃度的變化取末、始態(tài)即反應(yīng)物或生成物在反應(yīng)后和反應(yīng)前的濃度之差，即使?jié)舛鹊淖兓姓?、?fù)值，但最終的速率都為絕對(duì)值。這樣更能體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率的標(biāo)量性質(zhì)，僅有大小而無(wú)表現(xiàn)方向的正、負(fù)號(hào)。

二、化學(xué)反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率及逆反應(yīng)速率

中學(xué)階段，在專門學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)并沒(méi)有涉及正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率。但是，在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡時(shí)說(shuō)到：當(dāng)可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等時(shí)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。而對(duì)正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的概念缺乏進(jìn)一步的解釋，造成學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率、正反應(yīng)速率及逆反應(yīng)速率理解上的混亂。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢發(fā)現(xiàn)提出相關(guān)問(wèn)題的不少而回答準(zhǔn)確清楚的卻并不多。不少人認(rèn)為：可逆反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率即為這個(gè)反應(yīng)的正反應(yīng)速率。

化學(xué)反應(yīng)速率既非正反應(yīng)速率亦非逆反應(yīng)速率，而是兩者之差。對(duì)于一個(gè)可逆反應(yīng)同時(shí)存在著正方向進(jìn)行的反應(yīng)和逆方向進(jìn)行的反應(yīng)。而整個(gè)化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為在這兩個(gè)方向上綜合進(jìn)行的結(jié)果。

以 2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）為例，同時(shí)存在著正反應(yīng)（2SO2+O2→2SO3）所導(dǎo)致的 SO2、O2的消耗、SO3的增加和逆反應(yīng) （2SO3→2SO2+O2）所導(dǎo)致的SO3的消耗和SO2、O2的增加。因此，正反應(yīng)速率即為由于正反應(yīng)進(jìn)行所導(dǎo)致的SO2、O2的消耗速率或者SO3的增加速率；而逆反應(yīng)速率則為由于逆反應(yīng)進(jìn)行所導(dǎo)致的SO3的消耗速率和SO2、O2的增加速率。而化學(xué)反應(yīng)速率則是作為一個(gè)反應(yīng)整體宏觀上反應(yīng)物SO2、O2的消耗速率或者SO3的增加速率。當(dāng)然，約定俗成，方程式從左至右為反應(yīng)進(jìn)行的正方向。

當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，此時(shí)的化學(xué)反應(yīng)速率即為零，因?yàn)楦魑镔|(zhì)的濃度不再隨時(shí)間而變化。但是，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率不為零。

化學(xué)反應(yīng)速率可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定隨著反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)物或生成物濃度的變化而得到。但是單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)卻不能測(cè)定正反應(yīng)速率或者逆反應(yīng)速率，因?yàn)橹荒軠y(cè)定出宏觀上物質(zhì)濃度的變化卻無(wú)法獲知濃度的改變中哪些是因?yàn)檎磻?yīng)、哪些又是由于逆反應(yīng)所導(dǎo)致的。

三、化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率

在中學(xué)教學(xué)中，教師通常將正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率作為化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡及導(dǎo)致化學(xué)平衡移動(dòng)的原因。通過(guò)調(diào)查學(xué)生課堂筆記、網(wǎng)絡(luò)查閱教師教案及教參，發(fā)現(xiàn)許多中學(xué)教師都是這樣講述的：當(dāng)可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率時(shí)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡。而當(dāng)外界條件發(fā)生變化，導(dǎo)致正、逆反應(yīng)速率不相等時(shí)原有的平衡狀態(tài)被打破，若正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率則反應(yīng)向正方向移動(dòng)，而逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率反應(yīng)向逆方向移動(dòng)，直到正、逆反應(yīng)速率再次相等而達(dá)到新的化學(xué)平衡狀態(tài)。

而在一些大學(xué)化學(xué)教材中講到化學(xué)平衡時(shí)卻對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率只字不提，僅僅是因?yàn)橹袑W(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)而不再提及嗎？

其實(shí)，經(jīng)典的化學(xué)熱力學(xué)僅從反應(yīng)前、后狀態(tài)的能量變化的角度出發(fā)，去探討反應(yīng)的可能性（即反應(yīng)進(jìn)行方向的判斷）與限度問(wèn)題（即化學(xué)平衡），并未涉及反應(yīng)從始態(tài)到終態(tài)之間的過(guò)程，不涉及反應(yīng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡的快慢。也就是說(shuō)，熱力學(xué)基礎(chǔ)上建立的對(duì)化學(xué)反應(yīng)（包括化學(xué)平衡問(wèn)題）的結(jié)論，與反應(yīng)速率之間沒(méi)有任何的聯(lián)系。［1］

經(jīng)典熱力學(xué)通過(guò)反應(yīng)前、后的狀態(tài)的變化，即ΔG（反應(yīng)后的狀態(tài)與反應(yīng)前的狀態(tài)的吉布斯自由能變化）來(lái)判斷一個(gè)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行以是否達(dá)到平衡。ΔG＜0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，即反應(yīng)總是自發(fā)向吉布斯自由能減少的狀態(tài)進(jìn)行的，也就是說(shuō)若反應(yīng)后整個(gè)反應(yīng)體系的吉布斯自由能小于反應(yīng)前的吉布斯自由能，那么反應(yīng)肯定向正反應(yīng)方向自發(fā)進(jìn)行；而ΔG=0，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，即前、后狀態(tài)的吉布斯自由能相等則說(shuō)明已達(dá)到化學(xué)反應(yīng)限度，所謂限度也就是在當(dāng)前條件下反應(yīng)體系的吉布斯自由能已經(jīng)降到了最低，同時(shí)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也達(dá)到最高。當(dāng)反應(yīng)條件發(fā)生變化原有平衡狀態(tài)被打破時(shí)，若ΔG＜0則平衡向正方向移動(dòng)，ΔG＞0則平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。其實(shí)，這也是“能量最低原理”這個(gè)自然界普適規(guī)律的體現(xiàn)，即“自然變化進(jìn)行的方向都是使能量降低，因?yàn)槟芰吭降驮椒€(wěn)定?！?/p>

所以說(shuō)，在中學(xué)階段將化學(xué)平衡的原因歸結(jié)為正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，并認(rèn)為正反應(yīng)速率不等于逆反應(yīng)速率是化學(xué)平衡移動(dòng)的根本原因都是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹５?，因?yàn)橹袑W(xué)還未學(xué)習(xí)到吉布斯自由能的內(nèi)容，似乎只能用化學(xué)反應(yīng)速率來(lái)解釋化學(xué)平衡問(wèn)題同學(xué)們才容易理解。因此，建議中學(xué)教師在講解時(shí)注意措詞：正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率只能說(shuō)是化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的一個(gè)標(biāo)志而不是其根本原因或本質(zhì)；化學(xué)平衡移動(dòng)的方向也不必借助正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率的比較來(lái)判斷，而直接用勒夏特列原理來(lái)分析即可。即使介紹在化學(xué)平衡移動(dòng)時(shí)正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率大小的不同，也必須說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)速率的變化與化學(xué)平衡的移動(dòng)總是相互伴隨發(fā)生的過(guò)程，但并非正、逆化學(xué)反應(yīng)速率的變化導(dǎo)致化學(xué)平衡的移動(dòng)亦非化學(xué)平衡的移動(dòng)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率的變化，化學(xué)平衡及其移動(dòng)的本質(zhì)將在大學(xué)化學(xué)中做深入的介紹。

［1］吳新建，張賢金.化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率概念及其關(guān)系探討［J］.化學(xué)教與學(xué)，2012，（4）