反应速率与化学平衡
基础反应速率可用气体体积、质量变化或颜色深度随时间的图线量度，浓度、温度、粒度和催化剂靠增加有效碰撞来提速；可逆反应在密闭系统中达到动态平衡，浓度或温度改变会令平衡位置移动，催化剂只加快到达平衡。
- 速率曲线的斜率代表速率；常用气体体积、质量变化或颜色深度跟随反应进度。
- 碰撞理论：浓度、温度、粒度的影响都可用碰撞频率与有效碰撞比例解释。
- 催化剂提供较低能量途径加快反应，本身质量与化学性质不变，也不改变平衡位置。
文体小知识：科学知识说明文——以大理石与盐酸等实例说明影响反应速率的因素与碰撞理论，再由可逆反应引入动态平衡与平衡移动的判断。
§课文原文 Passage
1铁锈蚀要经年累月，氢气与氧气的爆炸却在一瞬之间。反应速率描述反应进行的快慢，通常以单位时间内反应物减少或生成物增加的量来表示。实验上常用量度气体体积、混合物质量或颜色深度的变化来跟随反应进度，把数据绘成图线，曲线的斜率就是速率：斜率愈大，反应愈快；曲线渐趋平缓，代表反应物逐渐耗尽。
2为甚么条件改变会影响速率？碰撞理论指出：粒子必须碰撞才能反应，而碰撞要有足够能量才有效。增加浓度令单位体积内粒子数目增加，碰撞更频密；升温令粒子运动更快、具有足够能量的碰撞比例上升，速率显著加快；把固体研成粉末增大接触表面积；催化剂则提供另一条能量需求较低的反应途径。
3有些反应可以双向进行：正反应把反应物变成生成物，逆反应同时把生成物变回反应物，这是可逆反应。在密闭系统中，正逆反应速率最终相等，各物种浓度不再改变，系统达到动态平衡。动态二字提醒我们：反应并未停止，只是两个方向的变化互相抵消，是同一时间内增减相等。
4平衡状态会因条件改变而被打破。增加反应物浓度，平衡向生成物方向移动以消耗多出的反应物；升高温度，平衡向吸热方向移动。总括而言，改变条件后，平衡总是朝减低该改变影响的方向移动，这就是预测平衡移动的原理。定温下平衡常数是一个定值，浓度改变不会改变它的数值，温度改变才会。
5化学平衡的知识直接支持工业生产：制造氨和硫酸的工厂透过控制压强、浓度和温度等变数，争取最佳的产量与速率组合。日常生活中，汽水开瓶时冒出大量气泡、雪山溶氧量随温度变化，都是平衡移动的例子。掌握速率与平衡两套概念，便能解释并控制身边的化学变化。
1重点摘要 Summary
反应速率可用气体体积、质量变化或颜色深度随时间的图线量度，浓度、温度、粒度和催化剂靠增加有效碰撞来提速；可逆反应在密闭系统中达到动态平衡，浓度或温度改变会令平衡位置移动，催化剂只加快到达平衡。
2生字卡 Vocabulary
单位时间内反应物被消耗或生成物被生成的量，描述反应快慢。
粒子须碰撞且能量足够才能反应的理论，用以解释影响速率的因素。
反应进度对时间的图线，斜率代表速率；斜率渐小表示反应物渐耗。
提供较低能量反应途径、加快反应而本身质量与化学性质不变的物质。
固体反应物与其他反应物接触的面积；研碎固体可增大表面积加快反应。
正逆两个方向都可进行的反应，化学式用双箭号 ⇌ 表示。
密闭系统中正逆反应速率相等、各物种浓度保持不变的状态。
浓度或温度等条件改变时，平衡向减低该改变影响的方向移动。
平衡时反应物与生成物相对含量的状态；条件改变会令它移动。
定温下描述平衡时反应物与生成物浓度关系的常数 Kc；温度改变才会改变其值。
3逐步讲解 Steps
- 第一步：如何量度反应速率量度速率的方法因反应而异，常用的是跟随某个可观察的变化：收集并量度生成气体的体积、量度系统总质量的减少、或用比色法跟随颜色深度。举个例子：大理石与稀盐酸反应放出二氧化碳，把不同时间收集的气体体积绘成图线，开头斜率最大，代表起始速率最快；曲线后段转平，代表反应物逐渐耗尽，反应完成。读速率曲线图是卷一的必考技能，斜率与最终高度各有意义，不可混淆。
- 第二步：浓度与压强对速率的影响碰撞理论解释：反应的第一条件是粒子碰撞，而且碰撞要有足够能量才有效。增加浓度（气体则增大压强）令单位体积内粒子数目增加，碰撞频率上升，单位时间内有效碰撞次数增加，速率加快。举个例子：用 2 mol dm⁻³ 盐酸比用 0.5 mol dm⁻³ 盐酸与大理石反应快得多，气泡明显更急促；炼钢炉鼓入高压空气，也是用同一原理加快燃烧反应。答解释题时要讲「碰撞频率增加」，只写「碰撞增加」不够准确。
- 第三步：温度对速率的影响升高温度令粒子平均动能增加，运动更快，碰撞更频密之余，更重要的是有足够能量进行反应的碰撞比例大增，所以速率显著加快。举个例子：食物放进雪柜低温保存，令食物腐坏的化学反应和微生物反应都放慢；实验室量度硫代硫酸钠与稀硫酸反应出现混浊所需时间，温度每升十摄氏度，时间明显缩短。一般而言，温度每升高十度，反应速率约增大一倍至三倍，这也是高压锅煮食更快的原因。
- 第四步：粒度与催化剂固体反应物只有表面能参与碰撞，研成粉末令接触表面积大增，碰撞机会随之增加。举个例子：同质量的大理石粉与 2 mol dm⁻³ 盐酸反应，比大理石粒快得多，起始曲线斜率大许多；面粉厂严禁明火，正是怕悬浮面粉尘粒与空气接触面大而引发猛烈爆炸。催化剂提供另一条能量门槛较低的反应途径，令更多碰撞变成有效碰撞。举个例子：过氧化氢分解本来极慢，加入少量二氧化锰粉末便迅速放出氧气，而二氧化锰反应前后质量与性质不变。
- 第五步：可逆反应与动态平衡有些反应可双向进行，化学式用双箭号 ⇌ 表示。在密闭系统中，起初正反应快、逆反应慢；随着生成物累积，逆反应渐快，最终两者速率相等，各物种浓度维持不变，达到动态平衡。举个例子：密闭瓶中的水，蒸发与凝结速率相等时，水位与水蒸气浓度都不再改变，但分子仍不断在两相之间来往。紧记平衡的两个特征：正逆速率相等、浓度恒定；条件是密闭系统，物质不能进出，这些都是考试常问的判断位。
- 第六步：平衡移动的预测条件改变会打破平衡，系统随之调节，直到达到新平衡。预测方向的总原则：平衡向减低该改变影响的方向移动。增加反应物浓度，平衡向生成物方向移；增大气体压强，平衡向气体分子数较少的一方移；升高温度，平衡向吸热方向移；降低温度则向放热方向移。举个例子：棕红色的二氧化氮与无色四氧化二氮以 N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 共存，升温颜色变深，说明平衡移向生成二氧化氮的一方，并可推知该方向是吸热方向。催化剂同时加快正逆反应，只缩短到达平衡的时间，不移动平衡位置，也不改变产量。
- 第七步：速率与平衡的工业智慧工业生产同时关心速率与产量：速率太慢赚不了钱，平衡位置不对产量便低。举个例子：合成氨的工厂用适中的温度（兼顾速率与平衡）、高压（有利生成氨的一方）和催化剂（加快到达平衡），并把生成的氨液化移走，令平衡不断向生成氨的方向补充。这种「一边反应、一边移走生成物」的策略，是平衡原理最有价值的应用。日常例子还有汽水：瓶盖紧闭时压强高，二氧化碳溶得多；开瓶后压强骤降，平衡移向放出气体，泡沫涌现，正是平衡移动的现场示范。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
实验（一）：同质量的大理石粉与大理石粒分别与过量的 1 mol dm⁻³ 稀盐酸反应，各绘出二氧化碳体积对时间的曲线。实验（二）：密闭注射器内盛 N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 混合气体，升温后棕红色变深。试比较两曲线并解释，再判断升温时平衡移动的方向与该方向的反应热。
- 实验（一）：大理石粉的曲线起始斜率明显较大，即起始速率较快；两条曲线最终到达相同的气体体积。
- 解释：粉末的接触表面积较大，单位时间内碰撞次数较多，速率加快；因盐酸过量而大理石质量相同，生成的二氧化碳总量相同。
- 实验（二）：升温颜色变深，表示 NO₂ 浓度上升，平衡由左向右移动，即向生成二氧化氮的一方移动。
- 由平衡移动总原则：升温时平衡向吸热方向移动，故由 N₂O₄ 变为 NO₂ 的正反应是吸热反应。
- 答案：大理石粉起始速率较快（表面积大、碰撞频率高），但最终气体体积相同；N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 升温时平衡向右（生成 NO₂、颜色变深）移动，该方向为吸热方向。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1实验上可用哪些变化跟随反应进度以量度速率？
Q2以碰撞理论解释为何升高温度能加快反应。
Q3催化剂如何加快反应？它会改变平衡位置吗？
Q4N₂O₄ ⇌ 2NO₂ 系统升温后颜色变深，平衡向哪方移动？该方向吸热还是放热？
Q5达到动态平衡的系统有哪两个特征？需要甚么条件？
8重点回顾 Recap
- 速率曲线的斜率代表速率；常用气体体积、质量变化或颜色深度跟随反应进度。
- 碰撞理论：浓度、温度、粒度的影响都可用碰撞频率与有效碰撞比例解释。
- 催化剂提供较低能量途径加快反应，本身质量与化学性质不变，也不改变平衡位置。
- 动态平衡两特征：正逆速率相等、浓度恒定；条件是密闭系统。
- 条件改变后，平衡向减低该改变影响的方向移动；定温下 Kc 为定值，温度改变才会改变。