有關化學反應速率與化學平衡中幾個概念的探討

楊 帆

（湖州師范學院生命科學學院 浙江 湖州 313000）

一、化學反應速率與化學反應速度

在化學教材和論文中，經常可見到化學反應速率和化學反應速度這兩個詞語，它們常被用來表達相同的含義，即化學反應進行快慢的程度。但是，物理學上速率和速度是兩個不同的概念。速率是一個標量，標量是有大小而無方向的量；而速度卻是失量，既說明大小又表明方向。所以，速率僅為絕對大小，不會有表現方向的正或負；而速度則不然，可能是正值或負值，代表了兩個相反的方向。當然，化學反應多數都是可逆反應，的確是存在兩個不同的方向，但是，化學反應的方向是化學熱力學重點討論的問題。而化學反應速率則是化學動力學中的主要問題，在數值上僅表現化學反應進行的快慢，而不反映進行的方向。

在中學課本中，化學反應速率是采用反應物或生成物的濃度隨著時間的變化率來表示。公式如下：

對于反應物，濃度的變化為減少量，化學反應速率即是反應物的消耗速率；對于生成物，濃度變化為增加量，化學反應速率即是生成物的增加速率。無論以哪個物質來計算化學反應速率，濃度變化均取正值，所以化學反應速率也絕不會出現負值。

所以，在語言上使用化學反應速率比化學反應速度更合理，建議摒棄化學反應速度的用法而統一使用化學反應速率這一術語。并且建議在公式中加絕對值符號，即

濃度的變化取末、始態即反應物或生成物在反應后和反應前的濃度之差，即使濃度的變化有正、負值，但最終的速率都為絕對值。這樣更能體現化學反應速率的標量性質，僅有大小而無表現方向的正、負號。

二、化學反應速率、正反應速率及逆反應速率

中學階段，在專門學習化學反應速率時并沒有涉及正反應速率和逆反應速率。但是，在學習化學平衡時說到：當可逆反應的正反應速率與逆反應速率相等時化學反應達到平衡狀態。而對正反應速率和逆反應速率的概念缺乏進一步的解釋，造成學生對化學反應速率、正反應速率及逆反應速率理解上的混亂。通過互聯網查詢發現提出相關問題的不少而回答準確清楚的卻并不多。不少人認為：可逆反應的化學反應速率即為這個反應的正反應速率。

化學反應速率既非正反應速率亦非逆反應速率，而是兩者之差。對于一個可逆反應同時存在著正方向進行的反應和逆方向進行的反應。而整個化學反應表現為在這兩個方向上綜合進行的結果。

以 2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）為例，同時存在著正反應（2SO2+O2→2SO3）所導致的 SO2、O2的消耗、SO3的增加和逆反應 （2SO3→2SO2+O2）所導致的SO3的消耗和SO2、O2的增加。因此，正反應速率即為由于正反應進行所導致的SO2、O2的消耗速率或者SO3的增加速率；而逆反應速率則為由于逆反應進行所導致的SO3的消耗速率和SO2、O2的增加速率。而化學反應速率則是作為一個反應整體宏觀上反應物SO2、O2的消耗速率或者SO3的增加速率。當然，約定俗成，方程式從左至右為反應進行的正方向。

當反應達到平衡時正反應速率等于逆反應速率，此時的化學反應速率即為零，因為各物質的濃度不再隨時間而變化。但是，正反應速率和逆反應速率不為零。

化學反應速率可以通過實驗測定隨著反應的進行反應物或生成物濃度的變化而得到。但是單純通過實驗卻不能測定正反應速率或者逆反應速率，因為只能測定出宏觀上物質濃度的變化卻無法獲知濃度的改變中哪些是因為正反應、哪些又是由于逆反應所導致的。

三、化學平衡和化學反應速率

在中學教學中，教師通常將正反應速率和逆反應速率作為化學反應達到平衡及導致化學平衡移動的原因。通過調查學生課堂筆記、網絡查閱教師教案及教參，發現許多中學教師都是這樣講述的：當可逆反應的正反應速率等于逆反應速率時化學反應達到平衡。而當外界條件發生變化，導致正、逆反應速率不相等時原有的平衡狀態被打破，若正反應速率大于逆反應速率則反應向正方向移動，而逆反應速率大于正反應速率反應向逆方向移動，直到正、逆反應速率再次相等而達到新的化學平衡狀態。

而在一些大學化學教材中講到化學平衡時卻對化學反應速率只字不提，僅僅是因為中學已經學習過而不再提及嗎？

其實，經典的化學熱力學僅從反應前、后狀態的能量變化的角度出發，去探討反應的可能性（即反應進行方向的判斷）與限度問題（即化學平衡），并未涉及反應從始態到終態之間的過程，不涉及反應從一個平衡狀態到另一個平衡狀態過渡的快慢。也就是說，熱力學基礎上建立的對化學反應（包括化學平衡問題）的結論，與反應速率之間沒有任何的聯系。［1］

經典熱力學通過反應前、后的狀態的變化，即ΔG（反應后的狀態與反應前的狀態的吉布斯自由能變化）來判斷一個反應能否自發進行以是否達到平衡。ΔG＜0，反應能自發進行，即反應總是自發向吉布斯自由能減少的狀態進行的，也就是說若反應后整個反應體系的吉布斯自由能小于反應前的吉布斯自由能，那么反應肯定向正反應方向自發進行；而ΔG=0，反應達到平衡狀態，即前、后狀態的吉布斯自由能相等則說明已達到化學反應限度，所謂限度也就是在當前條件下反應體系的吉布斯自由能已經降到了最低，同時，反應物的轉化率也達到最高。當反應條件發生變化原有平衡狀態被打破時，若ΔG＜0則平衡向正方向移動，ΔG＞0則平衡向逆反應方向移動。其實，這也是“能量最低原理”這個自然界普適規律的體現，即“自然變化進行的方向都是使能量降低，因為能量越低越穩定。”

所以說，在中學階段將化學平衡的原因歸結為正反應速率等于逆反應速率，并認為正反應速率不等于逆反應速率是化學平衡移動的根本原因都是不夠嚴謹的。但是，因為中學還未學習到吉布斯自由能的內容，似乎只能用化學反應速率來解釋化學平衡問題同學們才容易理解。因此，建議中學教師在講解時注意措詞：正反應速率等于逆反應速率只能說是化學反應達到平衡的一個標志而不是其根本原因或本質；化學平衡移動的方向也不必借助正反應速率與逆反應速率的比較來判斷，而直接用勒夏特列原理來分析即可。即使介紹在化學平衡移動時正反應速率與逆反應速率大小的不同，也必須說明化學反應速率的變化與化學平衡的移動總是相互伴隨發生的過程，但并非正、逆化學反應速率的變化導致化學平衡的移動亦非化學平衡的移動導致化學反應速率的變化，化學平衡及其移動的本質將在大學化學中做深入的介紹。

［1］吳新建，張賢金.化學平衡、化學反應速率概念及其關系探討［J］.化學教與學，2012，（4）