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        如何簡單理解實驗室的化學原理

        時間 : 2022-03-23 15:58:41 閱讀 : 63

        化學反應不單單只是物質的變化,還有能量的變化,研究化學反應也不能單單停留在方程式上,反應物是啥?生成物是啥?而要考慮到化學反應的狀態以及過程。


        一個化學反應過程究竟是怎樣進行的呢?我們姑且先不說化學反應,先談談追女孩子的過程吧,估計這樣你才有興趣。


        一個追女孩子的過程究竟是怎樣進行的呢?追女孩子首先要考慮到追到她的可能性,想想一個成天打游戲的死肥宅很難追得到高冷女神的。假設我死心悔改,追到她有那么一丟丟的可能性,這時候就要看我追她需要多長時間吧,總不能讓我等個半輩子,才同意做我女朋友,這時候黃花菜都蔫了。就算追到手,我還得好好培養感情對不對,總不能把女朋友放一邊繼續打我的游戲,我得和女朋友共同努力,讓我們關系升溫,這個關系究竟有多溫呢,我和女朋友關系究竟能好到什么程度呢?這也是追女孩最重要的東西。


        因此我們可以總結追女孩的三個法寶:

        一、 判斷追到女神有沒有可能性(這個是你在實施追求的前提,也是你能追到女神的“推動力”)

        二、 追到女神需要多長時間(追求的速率問題,是快還是慢?)

        三、 追到女神后和女生的親密程度(戀愛可持續化的保證

        說了這么多追女孩的事情,這個和化學反應原理又有神馬關系呢?


        其實人類研究很多事物的過程都是類似,追到手有沒有可能性?追到手花多久?關系能到什么程度?研究化學反應過程也是如此。

        一、判斷化學反應能不能發生?

        二、它進行的是快還是慢要多久?

        三、它能進行到什么程度?反應限度?

        這三大問題,問的就是追女孩的核心,哦不,化學反應的核心!這三大問題來了,我該怎么解決呢?


        一、化學反應能不能發生?

        首先是一個化學反應能不能發生,就是化學反應的方向問題,化學反應能不能朝這個方向進行。談能不能發生,我們不如把眼光放遠一點點,自然界中有很多奇妙的過程,天會下雨,石頭從高處落地,水往低處流,無論是人的生老病死還是自然界的花開花落,這些過程都是自然而然進行的。


        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。因為它不符合這個“自然而然”,我們稱這個反應沒有自發性。


        自然界中有兩大規律,一個是能量越低越穩定,另外一個是最大混亂度傾向(熵增原理)。石頭在高處就不穩定,相比低處它的重力勢能大,所以它就有往低處落的傾向,釋放重力勢能。低處的石頭是不會想著往高處蹦的,除非你額外做功。生活中熵增原理比比皆是,整潔的桌面會自然而然變亂,整齊的頭發你不管它也會變亂,有序的花瓣最終會散亂,一個骯臟的房間不會自動變清潔。你想要事情變整潔,有條理,有秩序,就必須與這個自然法則對抗,付出的代價就是額外做功。


        在化學反應中,用焓變(△H)來反應化學反應能量的變化,用熵變(△S)來反應它的混亂度的變化,綜合這兩點,提出的吉布斯自由能判據(△G=△H-T△S)來判斷一個化學反應究竟能不能自然而然發生。顯然如果一個化學反應,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生。


        二、化學反應進行的快與慢(反應速率)

        一個化學反應能不能進行,是我們研究這個化學反應的前提,吉布斯自由能判據只能讓我們知道反應能不能發生,卻不能知道反應的快與慢。有些反應確實可能發生,但是需要用掉上萬年的時間才能進行徹底,比如溶洞的形成。而有些反應則很快就能進行徹底,比如酸堿滴定,炸藥爆炸。


        如何控制化學反應的快慢尤其重要,比如我是化工廠廠長,我的生產中用的化學反應要10天才能進行徹底,但是我有種方法,可以加快它的反應速率,1天搞定,這樣的話,我只用1天就能生產10天的貨,并且還節約了9天的工廠管理費。另外,還有些化學反應我并不希望它辣么快進行,比如鋼鐵的腐蝕。


        那么問題來了,化學反應速率和什么有關呢?我們又該如何控制化學反應速率呢?


        談反應速率,我們不如談談一個化學反應的微觀過程,比如氫氣和氯氣生成氯化氫。假想一個密閉的容器里面,充滿了氫氣和氯氣,這些氣體都在做著無規則熱運動。氫氣和氯氣要想發生化學反應,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生化學反應,必須得是“有效碰撞”,大多數碰撞是“無效碰撞”,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,就必須給這個分子提供活化能。


        氫氣和氯氣反應機理

        這個微觀過程就是,氫分子的氫氫鍵斷裂,氯分子的氯氯鍵斷裂,形成中間態氫和中間態氯原子,這個中間態的氫原子和氯原子才是能夠發生有效碰撞的活化分子(微粒),而要讓化學鍵斷裂,就必須提供能量,這個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,形成新的化學鍵就會釋放出能量。(這只是一種假象過程,方便理解,更真實的情況是氫氣和氯化氫結合在一起形成過渡態分子,然后斷裂成兩個氯化氫。)


        (by the way,這里就可以看出化學反應和能量的關系,化學反應的微觀解釋就是有舊的化學鍵的斷裂和新的化學鍵的形成,斷鍵吸熱,成鍵放熱,因此一個化學反應既有吸熱和放熱,但是如果吸收的熱大于放出的熱,它就是吸熱反應,反之亦然。)


        知道了這個微觀過程,我們就可以搞出兩個關鍵,有效碰撞和活化能,化學反應速率就和這個有關系。


        (其實化學反應速率在《化學動力學》的研究范圍內,真正的反應速率和化學反應的本征動力學以及傳質動力學有關,而在本征動力學里面有個赫赫有名的方程,叫做阿倫尼烏斯方程,高中為了簡便只考察化學反應本身的動力學,做了很多簡化)


        如果我們讓有效碰撞變多,并且能夠降低活化能(降低分子達到活化狀態的門檻),這個反應反應是不是越容易進行?看起來就是反應速率加快了!


        實際操作上,我們通過加熱,加壓,增大濃度這三個方面來提升分子的有效碰撞。加熱能夠讓分子熱運動更加劇烈,發生有效碰撞的機會就會變大,同樣加壓和增大濃度就是讓分子在反應體系中更加密集,碰撞在一起的概率就變大了。


        另外還可以利用催化劑來降低反應的活化能,實際上催化劑是參加進了這個化學反應,催化劑可能與某個反應分子結合,讓它更容易到達活化狀態,因此反應變得更加容易進行了,而在反應終點的時候,催化劑又脫離了反應物。催化劑可以說就是一個默默無聞的貢獻者,送它一個好人卡?。ù送馐裁?a data-mid="1435" href="http://www.mikeeads.com/a/599.html">超聲波啊,核輻射啊,光照啊,也能加快反應速率,它們的本質就是給分子提供了能量,讓其碰撞更激烈或者活化。)


        稍微總結一下,化學反應速率和幾個條件有關系,就是溫度、壓力、濃度和催化劑等,我們控制化學反應速率也就是從這幾個角度下手。


        催化反應和無催化反應的能量過程,反應物首先要被活化才能反應,達到活化狀態需要往上爬過一個“能壘”,然后才能轉化成生成物,這個“能壘”越低則更容易爬過去,催化劑就能降低這個“能壘”——活化能

        對了,我們還忽略了化學反應速率的表達式,我們選用單位時間,反應物或者生成物的濃度的改變量,來表達反應速率,v=△C/△t,時間單位常用分鐘,所以在高中反應速率的單位通常是mol/(L·min),談及反應速率的表達式我們還要注意到這個和你選擇的物質的有關,同樣的一個化學反應,你選擇其中不同的物質作為參考,得出的反應速率也就不一樣。

        之所以選擇濃度的改變量來作為反應速率,是因為濃度方便測量,你要是選擇質量、物質的量或者壓強的改變量,其實本質上是可以的。不過也不要給自己添亂子,安安分分地按照濃度來吧。


        三、化學反應的限度(化學平衡)

        前面我花了很大篇章來談及化學反應速率,不過最重要的還是在化學反應限度這塊!就好比追女孩(原諒我喜歡用這個例子),你就算把他追到手了,更重要的是你和她的關系到底如何,好到如何程度?同樣對于一個化學反應,我們也要知道它究竟能進行到什么程度?

        在前面的反應速率里面,我提及到了當化學反應結束時,怎么怎么樣,這個結束就可以看做為化學反應限度。假設我還是一個化工廠廠長,這個廠生產合成氨,就是用氫氣和氮氣反應生產氨氣,我在做實驗的時候,發現100g的氫氣,最后只有1g能夠轉化為氨氣,剩下的99g我就算放一萬年,它還是保持99g不變,無法繼續轉化為氨氣。

        這時候我們稱為反應達到了平衡,也就是這個反應它達到了極限,再想讓它生產氨氣,你就必須改變條件了,要想馬兒跑,就必須給馬兒吃草。有點基礎的同學,就可能就要問啦,我記得化學平衡里面有什么可逆反應。

        對!就是可逆反應,因為很多化學反應不是說達到平衡就停止了!只是看起來停止了,實際上沒有。就好比睡得像豬一樣的人,看起來他沒有動靜,對外界的反應也沒回應,就像死掉了一樣,但是本質上還是活著的!同樣對于一個達到反應限度的可逆反應,它已經化學平衡了,看起來放一萬年沒啥變化,就像“死掉的化學反應”,但是化學反應依舊在進行著,反應物會不斷地變成生成物,同樣生成物也會不斷變成反應物,這一些都在你眼皮子底下進行著,你卻看不到也難以測量出來。是因為反應物變成生成物,同樣生成物也會變成反應物,正向反應的速率和逆向反應的速率是一樣的,所以反應物以及生成物的質量沒有改變。

        這個就好比,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,看起來你的總資金沒有變化,但是你的資金是在流動的,有支出也有收獲!

        其實呢,對于所有的可逆反應,一旦反應開始進行,反應物轉化成生成物,這時候,不單單只有反應物轉化為生成物這個過程,還有生成物轉化成反應物這個過程,所以反應還沒到達限度的時候,正向反應和逆向反應是同時進行的!我們只能看到反應只能是正向進行的,是因為正向反應的速率大于逆向反應是速率。


        敲黑板,一個可逆反應,從反應開始到反應達到限度處于平衡時候,正向反應和逆向反應是同時存在的。并且直到平衡,正向反應和逆向反應還存在,它的反應速率是相等的且不為0.


        對了,這時候好事的同學可能又要問了,你一直說化學反應進行達到限度,他就平衡了,那么我又怎么知道它是不是真正的平衡了呢?可能它的反應速率很慢啊,我測量的間隔太靠近了,看不出物質還在改變啊,怎么解?還有有沒有啥標準來判斷反應是達到了限度呢?

        很好,問題到這里,我們就可以引出著名的平衡常數K,下面有請K老爺出場!


        在一定溫度下,當一個可逆反應達到化學平衡時,生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值是一個常數,這個常數就是該反應的化學平衡常數(簡稱平衡常數),用符號K表示。


        至于化學平衡這個公式是怎么推導出來的,就不細講了,在大學里面,會引入化學勢的概念,可以說任何一本《無機化學》上面都會講它的來源。我們只用記住這個K,它的溫度函數,也就是說在不同的溫度下,化學反應的限度是不一樣的。比如在20℃下達到了化學平衡,如果你把溫度升高到100℃那么它就是不平衡了。

        有了這個K老爺,事情就好辦了,我們要判斷這個反應是否達到了平衡,只需要查到在該溫度下的平衡常數,然后測量出反應物和生成物的濃度,計算一下,看這個數值是不是等于K,如果小于K,顯然這個反應沒有達到限度,還必須朝著正向進行,如果大于K,則必須逆向進行達到平衡狀態。

        K老爺出場后,勒夏特列老爺子也蠢蠢欲動了,剛才不是說嘛,在20℃下達到平衡的反應,如果把它溫度升高到100℃,它就不平衡,而所有的可逆反應都要朝著平衡的方向移動,所以改變溫度后,這個反應會朝著100℃平衡狀態移動。

        那么究竟怎么移動呢?

        勒夏特列老爺子總結了大量的事實,提出了平衡移動原則:如果改變影響平衡的條件之一(如溫度、壓強,以及參加反應的化學物質的濃度),平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動。

        其實非常好理解,你可以把這個平衡的可逆反應想象成一個叛逆的小孩子,它達到了平衡已經滿足了,你想改變它什么,它就要反著跟你斗!


        我:“你這產物也太少了,不行我要增加反應物的濃度!”

        可逆反應:“啥?敢隨便動爺好不容易完成的平衡,我偏不要你增加反應物,我得正向移動減少反應物?!?/p>

        我:“溫度太低,我要升溫”

        可逆反應:“啥?你要升溫,經過爺的允許沒?看我把熱量吸走!”

        但是呢,它終究是斗不過你的,它只能減弱這種改變,但是無法消除這種改變,你降低溫度,平衡朝著放熱的方向進行,但是杯水車薪,反應體系的溫度最終是會降低,它改變不了這個事實。

        值得一提的事,勒夏特列原理是適用于已經達到平衡的可逆反應!敲黑板“已經達到平衡”,那么對于沒有達到平衡的可逆反應,你這樣改變它是沒有意義的。

        從勒夏特列原理,我們可以看到改變一個已經平衡的可逆反應,可以通過改變溫度、濃度、壓強這幾種方法來實現。這幾種方法是不是很像之前講的改變化學反應速率的方法?但是呢,有個問題,改變化學反應速率的方法中有個很重要的就是可以加催化劑,那催化劑能不能改變化學反應的平衡呢?


        其實能把反應速率和平衡移動的改變方法聯系到一起,你已經很接近答案了!勒夏特列原理的本質就是通過改變一方反應的速率,從而讓平衡移動。

        前面我們說到,一個平衡的可逆反應,它的正向反應速率和逆向反應速率是一樣的,有多少反應物生成,就有多少反應物消耗掉。通過改變濃度或者壓強,讓一方的反應速率大于另外一方,這樣反應就會一方的方向進行。如果是改變溫度的話,溫度會同時影響正反應和逆反應的速率,但是溫度會影響到K老爺(平衡常數),這樣正向或者逆向反應速率的變化值不一樣,它就會朝著新溫度下的平衡的方向進行。那么對于催化劑,催化劑加到一個已經平衡的可逆反應中,它確實能加快反應速率,但是正向反應速率和逆向反應速率都是加的一樣多的,所以最后正向和逆向反應速率還是一樣的,還是保持平衡!


        正向反應和逆向反應,這個就好比甲乙兩方打架,兩個實力一樣,勝負難分,你給他們同樣的武器,也只是同等地增加它們的戰斗力,還是勝負難分。除非你給甲方小刀,給乙方自動步槍,乙方才能壓倒甲方。


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        標題:如何簡單理解實驗室的化學原理
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