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CIE AS · 化学 3 Energetics & Equilibria
热化学·平衡·速率
Energetics & EquilibriaCambridge International
导读 MAP
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反应
能量与速度
💡 核心：焓变研究反应的能量，平衡研究反应的方向，速率研究反应的快慢。
1 · 焓变 ENTHALPY
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放热 vs 吸热
🔥 放热反应
ΔH 负（放热）
产物能量低于反应物
例：燃烧、中和
❄️ 吸热反应
ΔH 正（吸热）
产物能量高于反应物
例：热分解、光合
💡 Hess 定律：反应总焓变与路径无关。可用来从已知反应计算无法直接测量的焓变。Born-Haber 循环是 Hess 定律的应用。
1b · 能量图 ENERGY DIAGRAMS
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能量图
看懂反应
💡 Hess 定律：ΔH 与路径无关。键能法：ΔH = 断键能量 − 成键能量。
放热反应能量图：产物能量低于反应物，ΔH 为负
1c · 键能计算 BOND ENERGY CALC
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用键能
算焓变
📐 公式
dH = Sum(键能断裂) - Sum(键能形成)
断键吸热（+），成键放热（-）
需要查键能数据表
📊 例题：H2 + Cl2 -> 2HCl
H-H: 436 kJ/mol
Cl-Cl: 242 kJ/mol
H-Cl: 431 kJ/mol
dH = (436+242) - 2x431
= 678 - 862 = -184 kJ
放热！
💡 注意：键能法是估算（平均键能≠实际分子中的键能）。更准确的方法用标准生成焓（Hess定律）。
键能法示意：断键吸热、成键放热，二者之差即为 ΔH
2 · 化学平衡 EQUILIBRIA
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可逆反应
的动态平衡
⚖️ 平衡的特征
正向速率=逆向速率
浓度不再变化（但反应仍在进行）
动态而非静止
📊 Le Chatelier 原理
反应物浓度↑→正向移动
产物浓度↑→逆向移动
温度↑→吸热方向
压力↑→气体摩尔少的方向
催化剂不影响平衡位置
💡 Kc：平衡常数。Kc>1 反应偏向产物，Kc<1 偏向反应物。只有温度改变 Kc。
2c · Le Chatelier 详解 LE CHATELIER
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平衡
怎么移动
N2 + 3H2 equilibrium 2NH3 (dH=-92kJ)
浓度↑(反应物)→正向移动
压力↑→向摩尔少的方向(4mol->2mol)→正向
温度↓→向放热方向→正向
催化剂→不影响平衡位置(只加快达到)
Kc 只受温度影响
Kc = [NH3]^2 / ([N2][H2]^3)
温度降→Kc增大(放热反应)
浓度/压力变化→不改变Kc→只是位置移动
→ Haber法：高压+适当低温+Fe催化剂
💡 CIE必考：① 判断平衡移动方向；② 解释工业条件的选择（Haber法/接触法）；③ Kc表达式和计算。
🥤 开汽水瓶盖=减压→CO₂溶解度下降→冒泡
2d · 量热法 CALORIMETRY
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量热法
测焓变
📐 公式 q=mcΔT
q=热量(J)，m=溶液质量(g)
c=比热容(水 4.18 J g⁻¹ K⁻¹)
ΔT=温度变化
ΔH = q / n (n=反应物摩尔数)
⚠️ 误差来源
热量散失到环境（保温杯减少）
未计入容器比热
反应不完全/蒸发
稀释热未扣除
💡 例：50 g 水升温 8 K，q=50×4.18×8=1672 J。量热法是 AS 实验必考。
保温杯量热装置：用 q=mcΔT 测定反应放出的热量
2e · Hess 与 Born-Haber HESS CYCLE
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Hess 定律
数值计算
📐 标准焓变
标准状态：100 kPa、298 K、纯物质
ΔHf⦵：由元素生成 1 mol 化合物
ΔHc⦵：完全燃烧
ΔHneut⦵：酸碱中和
📊 Born-Haber 循环
用于离子化合物(如 NaCl)
分步：升华+电离+电子亲和+晶格能
ΔHf = 各步代数和
可由已知步骤反推晶格能
💡 ΔHr = ΣΔHf(产物) − ΣΔHf(反应物)，正负号千万别错。
Hess 定律能量循环：反应总焓变与路径无关，可分步求算
3 · 反应速率 RATES
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反应
多快？
⏱️ 碰撞理论
反应需要粒子碰撞
且要有足够能量（≥ Ea 活化能）
且要有正确取向
📊 影响速率的因素
温度↑→更多粒子超 Ea
浓度↑→碰撞频率↑
表面积↑→接触面↑
催化剂→降低 Ea
💡 催化剂降低活化能但不被消耗，不改变 ΔH，不改变平衡位置——只让反应更快达到平衡。
3c · 碰撞理论 COLLISION THEORY
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碰撞理论
反应为什么发生
⚡ 有效碰撞三条件
1. 必须碰撞
2. 能量>Ea(活化能)
3. 正确取向
三条都满足才反应
📊 温度的影响
T升高→更多分子超过Ea
分子运动更快→碰撞频率↑
两条都使速率↑
但能量分布的变化是主因
⚡ 催化剂原理
降低Ea→更多碰撞超过新的(更低)Ea
提供替代反应路径
不改变dH/平衡位置
不参与最终产物
💡 麦克斯韦-玻尔兹曼分布：温度↑→曲线右移+变矮→超过Ea的面积增大→速率加快。这是A2必考的能量分布图。
3b · Kp 分压 Kp
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气相平衡
Kp 表达式
📐 Kp 定义
用分压表示的平衡常数
分压 p = 摩尔分数 × 总压
N₂+3H₂⇌2NH₃：Kp = p(NH₃)² / [p(N₂)·p(H₂)³]
🔗 Kp 与 Kc
Kp = Kc(RT)Δn
Δn = 气体产物摩尔−反应物摩尔
合成氨 Δn=2−4=−2
同样只受温度影响
💡 CIE A-level 高频：给总压与摩尔分数求各气体分压，再算 Kp 与单位。
动态平衡：正、逆反应速率相等，各组分浓度不再变化
3c · 酸碱平衡 ACID-BASE
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酸碱
与 pH
🧪 Brønsted-Lowry
酸=质子(H⁺)给体；碱=质子受体
共轭酸碱对：相差一个 H⁺
强酸(HCl)完全电离；弱酸(CH₃COOH)部分
pH = −log[H⁺]
📊 Kw 与 Ka
Kw = [H⁺][OH⁻] ≈ 1×10⁻¹⁴ (298K)
Ka：弱酸电离常数，pKa=−logKa
纯水 pH=7（中性）
滴定终点靠指示剂变色
💡 滴定曲线：强酸强碱在等当点突跃 pH≈3−10，可选酚酞/甲基橙作指示剂。
4 · 氧化还原 REDOX
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电子的
转移
🔢 氧化数规则
单质=0
化合物中 H=+1, O=-2
氧化=失电子(氧化数↑)
还原=得电子(氧化数↓)
⚡ 氧化还原反应
氧化剂：被还原（得电子）
还原剂：被氧化（失电子）
歧化：同一元素同时被氧化和还原
💡 记口诀：LEO says GER（Lose Electrons=Oxidation, Gain Electrons=Reduction）。
LIFE FUN
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热化学与生活
🧣 暖宝宝 vs 运动后热?
暖宝宝：铁粉氧化放热，可持续发热12小时
葡萄糖氧化ΔH=-2800kJ
身体=缓慢燃烧的火炉
冰袋降温?
NH4NO3溶于水吸热
打破晶格从环境吸热
即时冷敷
Haber法合成氨放热，低温有利于提高NH₃平衡产率，但低温反应太慢，故工业选 400-500°C 折中；辅以 150-200 atm 高压（向摩尔数减少方向）与 Fe 催化剂。
EXP RATE
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怎么测反应速率
方法
气体体积法
质量损失法
颜色法(分光光度计)
滴定法
Na2S2O3+HCl
硫沉淀变浑浊
测看到十字的时间
改变温度/浓度比较
REDOX REDOX
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氧化还原生活应用
规则
H=+1;O=-2
氧化=失e;还原=得e
LEO says GER
生活
铁生锈Fe(0)->Fe(3+)
切开的苹果变褐(多酚被O₂氧化)
柠檬汁涂苹果可延缓(维C抗氧化)
漂白剂NaClO氧化褪色
参考 REFERENCES
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📚 教材
Cambridge AS & A Level Chemistry Coursebook · CIE 9701
结语 END
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热化学·平衡·速率
完成！
焓变讲能量、平衡讲方向、速率讲快慢——化学反应的三个维度。
