化學平衡

平衡與速率(equilibrium versus rate)

計劃一次公路旅行會引出兩個完全不同的問題:我最終會到哪裡,以及到那裡要花多久?在化學裡,這正是平衡和速率兩個問題,把它們混為一談會帶來無窮的麻煩。平衡問的是反應最終安定在哪裡——結束時有多少產物。速率問的是它多快到達那裡。一個反應可能在終點上很慷慨,卻在路上慢得讓人發瘋。

平衡屬於熱力學的領域:它由平衡常數和自由能支配,告訴你最終的組成,卻對時間隻字不提。速率屬於動力學的領域:它由速率常數和活化能支配——活化能是反應必須翻越的那座能量山的高度——它告訴你時間,卻不鎖定終點。兩者由不同的東西控制,可能指向不同的方向。

把它們分開來看,能解釋化學中一些最驚人的事實。金剛石變成石墨在終點上是有利的(石墨更穩定),可是速率慢到金剛石實際上能存在到永遠。催化劑是這道分界線最乾淨的例證:它加快旅程,讓你更快到達平衡,卻從不移動終點——它改變速率,而非平衡位置。誠實的總結是:兩個問題都要問,絕不要讓一個好產率騙你以為反應很快,反之亦然。

室溫下的氫氣和氧氣混合物,其平衡常數極大,強烈偏向生成水,可這兩種氣體卻能原封不動地共處多年。只要一個火花提供動力學上的推動,它們便在瞬間反應——終點同樣有利,速率卻天差地別。

平衡決定終點;速率決定路上花多久。

有利的平衡並不保證反應快,反應快也不保證產率高。催化劑只改變速率,絕不改變平衡位置或 K。

又稱
thermodynamics versus kinetics热力学与动力学熱力學與動力學