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如何简单理解实验室的化学原理

时间 : 2022-03-23 15:58:41 阅读 : 99

化学反应不单单只是物质的变化,还有能量的变化,研究化学反应也不能单单停留在方程式上,反应物是啥?生成物是啥?而要考虑到化学反应的状态以及过程


一个化学反应过程究竟是怎样进行的呢?我们姑且先不说化学反应,先谈谈追女孩子的过程吧,估计这样你才有兴趣。


一个追女孩子的过程究竟是怎样进行的呢?追女孩子首先要考虑到追到她的可能性,想想一个成天打游戏的死肥宅很难追得到高冷女神的。假设我死心悔改,追到她有那么一丢丢的可能性,这时候就要看我追她需要多长时间吧,总不能让我等个半辈子,才同意做我女朋友,这时候黄花菜都蔫了。就算追到手,我还得好好培养感情对不对,总不能把女朋友放一边继续打我的游戏,我得和女朋友共同努力,让我们关系升温,这个关系究竟有多温呢,我和女朋友关系究竟能好到什么程度呢?这也是追女孩最重要的东西。


因此我们可以总结追女孩的三个法宝:

一、 判断追到女神有没有可能性(这个是你在实施追求的前提,也是你能追到女神的“推动力”)

二、 追到女神需要多长时间(追求的速率问题,是快还是慢?)

三、 追到女神后和女生的亲密程度(恋爱可持续化的保证

说了这么多追女孩的事情,这个和化学反应原理又有神马关系呢?


其实人类研究很多事物的过程都是类似,追到手有没有可能性?追到手花多久?关系能到什么程度?研究化学反应过程也是如此。

一、判断化学反应能不能发生?

二、它进行的是快还是慢要多久?

三、它能进行到什么程度?反应限度?

这三大问题,问的就是追女孩的核心,哦不,化学反应的核心!这三大问题来了,我该怎么解决呢?


一、化学反应能不能发生?

首先是一个化学反应能不能发生,就是化学反应的方向问题,化学反应能不能朝这个方向进行。谈能不能发生,我们不如把眼光放远一点点,自然界中有很多奇妙的过程,天会下雨,石头从高处落地,水往低处流,无论是人的生老病死还是自然界的花开花落,这些过程都是自然而然进行的。


汽油在几百摄氏度燃烧变成二氧化碳,是件自然而然的事情,点火就能烧着。但是在同样的温度下,你想把二氧化碳变成汽油,就是一件不可能的事情。因为它不符合这个“自然而然”,我们称这个反应没有自发性。


自然界中有两大规律,一个是能量越低越稳定,另外一个是最大混乱度倾向(熵增原理)。石头在高处就不稳定,相比低处它的重力势能大,所以它就有往低处落的倾向,释放重力势能。低处的石头是不会想着往高处蹦的,除非你额外做功。生活中熵增原理比比皆是,整洁的桌面会自然而然变乱,整齐的头发你不管它也会变乱,有序的花瓣最终会散乱,一个肮脏的房间不会自动变清洁。你想要事情变整洁,有条理,有秩序,就必须与这个自然法则对抗,付出的代价就是额外做功。


在化学反应中,用焓变(△H)来反应化学反应能量的变化,用熵变(△S)来反应它的混乱度的变化,综合这两点,提出的吉布斯自由能判据(△G=△H-T△S)来判断一个化学反应究竟能不能自然而然发生。显然如果一个化学反应,它释放出了能量,并且混乱度变大了,它在任何温度下都有可能发生。


二、化学反应进行的快与慢(反应速率)

一个化学反应能不能进行,是我们研究这个化学反应的前提,吉布斯自由能判据只能让我们知道反应能不能发生,却不能知道反应的快与慢。有些反应确实可能发生,但是需要用掉上万年的时间才能进行彻底,比如溶洞的形成。而有些反应则很快就能进行彻底,比如酸碱滴定,炸药爆炸。


如何控制化学反应的快慢尤其重要,比如我是化工厂厂长,我的生产中用的化学反应要10天才能进行彻底,但是我有种方法,可以加快它的反应速率,1天搞定,这样的话,我只用1天就能生产10天的货,并且还节约了9天的工厂管理费。另外,还有些化学反应我并不希望它辣么快进行,比如钢铁的腐蚀。


那么问题来了,化学反应速率和什么有关呢?我们又该如何控制化学反应速率呢?


谈反应速率,我们不如谈谈一个化学反应的微观过程,比如氢气和氯气生成氯化氢。假想一个密闭的容器里面,充满了氢气和氯气,这些气体都在做着无规则热运动。氢气和氯气要想发生化学反应,氢分子和氯分子就必须相互碰撞在一起,碰撞在一起还不一定能发生化学反应,必须得是“有效碰撞”,大多数碰撞是“无效碰撞”,那么怎样才能完成有效碰撞呢?就必须要让分子活化,只有活化的分子才能完成有效碰撞,而让分子活化,就必须给这个分子提供活化能。


氢气和氯气反应机理

这个微观过程就是,氢分子的氢氢键断裂,氯分子的氯氯键断裂,形成中间态氢和中间态氯原子,这个中间态的氢原子和氯原子才是能够发生有效碰撞的活化分子(微粒),而要让化学键断裂,就必须提供能量,这个能量就可以看做为活化能。(但不是活化能),最终活化分子完成有效碰撞,形成新的化学键就会释放出能量。(这只是一种假象过程,方便理解,更真实的情况是氢气和氯化氢结合在一起形成过渡态分子,然后断裂成两个氯化氢。)


(by the way,这里就可以看出化学反应和能量的关系,化学反应的微观解释就是有旧的化学键的断裂和新的化学键的形成,断键吸热,成键放热,因此一个化学反应既有吸热和放热,但是如果吸收的热大于放出的热,它就是吸热反应,反之亦然。)


知道了这个微观过程,我们就可以搞出两个关键,有效碰撞和活化能,化学反应速率就和这个有关系。


(其实化学反应速率在《化学动力学》的研究范围内,真正的反应速率和化学反应的本征动力学以及传质动力学有关,而在本征动力学里面有个赫赫有名的方程,叫做阿伦尼乌斯方程,高中为了简便只考察化学反应本身的动力学,做了很多简化)


如果我们让有效碰撞变多,并且能够降低活化能(降低分子达到活化状态的门槛),这个反应反应是不是越容易进行?看起来就是反应速率加快了!


实际操作上,我们通过加热,加压,增大浓度这三个方面来提升分子的有效碰撞。加热能够让分子热运动更加剧烈,发生有效碰撞的机会就会变大,同样加压和增大浓度就是让分子在反应体系中更加密集,碰撞在一起的概率就变大了。


另外还可以利用催化剂来降低反应的活化能,实际上催化剂是参加进了这个化学反应,催化剂可能与某个反应分子结合,让它更容易到达活化状态,因此反应变得更加容易进行了,而在反应终点的时候,催化剂又脱离了反应物。催化剂可以说就是一个默默无闻的贡献者,送它一个好人卡!(此外什么超声波啊,核辐射啊,光照啊,也能加快反应速率,它们的本质就是给分子提供了能量,让其碰撞更激烈或者活化。)


稍微总结一下,化学反应速率和几个条件有关系,就是温度、压力、浓度和催化剂等,我们控制化学反应速率也就是从这几个角度下手。


催化反应和无催化反应的能量过程,反应物首先要被活化才能反应,达到活化状态需要往上爬过一个“能垒”,然后才能转化成生成物,这个“能垒”越低则更容易爬过去,催化剂就能降低这个“能垒”——活化能

对了,我们还忽略了化学反应速率的表达式,我们选用单位时间,反应物或者生成物的浓度的改变量,来表达反应速率,v=△C/△t,时间单位常用分钟,所以在高中反应速率的单位通常是mol/(L·min),谈及反应速率的表达式我们还要注意到这个和你选择的物质的有关,同样的一个化学反应,你选择其中不同的物质作为参考,得出的反应速率也就不一样。

之所以选择浓度的改变量来作为反应速率,是因为浓度方便测量,你要是选择质量、物质的量或者压强的改变量,其实本质上是可以的。不过也不要给自己添乱子,安安分分地按照浓度来吧。


三、化学反应的限度(化学平衡)

前面我花了很大篇章来谈及化学反应速率,不过最重要的还是在化学反应限度这块!就好比追女孩(原谅我喜欢用这个例子),你就算把他追到手了,更重要的是你和她的关系到底如何,好到如何程度?同样对于一个化学反应,我们也要知道它究竟能进行到什么程度?

在前面的反应速率里面,我提及到了当化学反应结束时,怎么怎么样,这个结束就可以看做为化学反应限度。假设我还是一个化工厂厂长,这个厂生产合成氨,就是用氢气和氮气反应生产氨气,我在做实验的时候,发现100g的氢气,最后只有1g能够转化为氨气,剩下的99g我就算放一万年,它还是保持99g不变,无法继续转化为氨气。

这时候我们称为反应达到了平衡,也就是这个反应它达到了极限,再想让它生产氨气,你就必须改变条件了,要想马儿跑,就必须给马儿吃草。有点基础的同学,就可能就要问啦,我记得化学平衡里面有什么可逆反应。

对!就是可逆反应,因为很多化学反应不是说达到平衡就停止了!只是看起来停止了,实际上没有。就好比睡得像猪一样的人,看起来他没有动静,对外界的反应也没回应,就像死掉了一样,但是本质上还是活着的!同样对于一个达到反应限度的可逆反应,它已经化学平衡了,看起来放一万年没啥变化,就像“死掉的化学反应”,但是化学反应依旧在进行着,反应物会不断地变成生成物,同样生成物也会不断变成反应物,这一些都在你眼皮子底下进行着,你却看不到也难以测量出来。是因为反应物变成生成物,同样生成物也会变成反应物,正向反应的速率和逆向反应的速率是一样的,所以反应物以及生成物的质量没有改变。

这个就好比,你吃一碗黄焖鸡花了20元,但是呢你做大扫除又赚到了20元,看起来你的总资金没有变化,但是你的资金是在流动的,有支出也有收获!

其实呢,对于所有的可逆反应,一旦反应开始进行,反应物转化成生成物,这时候,不单单只有反应物转化为生成物这个过程,还有生成物转化成反应物这个过程,所以反应还没到达限度的时候,正向反应和逆向反应是同时进行的!我们只能看到反应只能是正向进行的,是因为正向反应的速率大于逆向反应是速率。


敲黑板,一个可逆反应,从反应开始到反应达到限度处于平衡时候,正向反应和逆向反应是同时存在的。并且直到平衡,正向反应和逆向反应还存在,它的反应速率是相等的且不为0.


对了,这时候好事的同学可能又要问了,你一直说化学反应进行达到限度,他就平衡了,那么我又怎么知道它是不是真正的平衡了呢?可能它的反应速率很慢啊,我测量的间隔太靠近了,看不出物质还在改变啊,怎么解?还有有没有啥标准来判断反应是达到了限度呢?

很好,问题到这里,我们就可以引出著名的平衡常数K,下面有请K老爷出场!


在一定温度下,当一个可逆反应达到化学平衡时,生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值是一个常数,这个常数就是该反应的化学平衡常数(简称平衡常数),用符号K表示。


至于化学平衡这个公式是怎么推导出来的,就不细讲了,在大学里面,会引入化学势的概念,可以说任何一本《无机化学》上面都会讲它的来源。我们只用记住这个K,它的温度函数,也就是说在不同的温度下,化学反应的限度是不一样的。比如在20℃下达到了化学平衡,如果你把温度升高到100℃那么它就是不平衡了。

有了这个K老爷,事情就好办了,我们要判断这个反应是否达到了平衡,只需要查到在该温度下的平衡常数,然后测量出反应物和生成物的浓度,计算一下,看这个数值是不是等于K,如果小于K,显然这个反应没有达到限度,还必须朝着正向进行,如果大于K,则必须逆向进行达到平衡状态。

K老爷出场后,勒夏特列老爷子也蠢蠢欲动了,刚才不是说嘛,在20℃下达到平衡的反应,如果把它温度升高到100℃,它就不平衡,而所有的可逆反应都要朝着平衡的方向移动,所以改变温度后,这个反应会朝着100℃平衡状态移动。

那么究竟怎么移动呢?

勒夏特列老爷子总结了大量的事实,提出了平衡移动原则:如果改变影响平衡的条件之一(如温度、压强,以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。

其实非常好理解,你可以把这个平衡的可逆反应想象成一个叛逆的小孩子,它达到了平衡已经满足了,你想改变它什么,它就要反着跟你斗!


我:“你这产物也太少了,不行我要增加反应物的浓度!”

可逆反应:“啥?敢随便动爷好不容易完成的平衡,我偏不要你增加反应物,我得正向移动减少反应物。”

我:“温度太低,我要升温”

可逆反应:“啥?你要升温,经过爷的允许没?看我把热量吸走!”

但是呢,它终究是斗不过你的,它只能减弱这种改变,但是无法消除这种改变,你降低温度,平衡朝着放热的方向进行,但是杯水车薪,反应体系的温度最终是会降低,它改变不了这个事实。

值得一提的事,勒夏特列原理是适用于已经达到平衡的可逆反应!敲黑板“已经达到平衡”,那么对于没有达到平衡的可逆反应,你这样改变它是没有意义的。

从勒夏特列原理,我们可以看到改变一个已经平衡的可逆反应,可以通过改变温度、浓度、压强这几种方法来实现。这几种方法是不是很像之前讲的改变化学反应速率的方法?但是呢,有个问题,改变化学反应速率的方法中有个很重要的就是可以加催化剂,那催化剂能不能改变化学反应的平衡呢?


其实能把反应速率和平衡移动的改变方法联系到一起,你已经很接近答案了!勒夏特列原理的本质就是通过改变一方反应的速率,从而让平衡移动。

前面我们说到,一个平衡的可逆反应,它的正向反应速率和逆向反应速率是一样的,有多少反应物生成,就有多少反应物消耗掉。通过改变浓度或者压强,让一方的反应速率大于另外一方,这样反应就会一方的方向进行。如果是改变温度的话,温度会同时影响正反应和逆反应的速率,但是温度会影响到K老爷(平衡常数),这样正向或者逆向反应速率的变化值不一样,它就会朝着新温度下的平衡的方向进行。那么对于催化剂,催化剂加到一个已经平衡的可逆反应中,它确实能加快反应速率,但是正向反应速率和逆向反应速率都是加的一样多的,所以最后正向和逆向反应速率还是一样的,还是保持平衡!


正向反应和逆向反应,这个就好比甲乙两方打架,两个实力一样,胜负难分,你给他们同样的武器,也只是同等地增加它们的战斗力,还是胜负难分。除非你给甲方小刀,给乙方自动步枪,乙方才能压倒甲方。


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标题:如何简单理解实验室的化学原理
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