# 反应速率

> 化学 · CIE IGCSE 0620 2026-2028
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0620-u6-rate-of-reaction/

本指南涵盖CIE IGCSE化学0620考纲中所有核心和拓展部分的反应速率相关内容，包括计算、测量方法、影响因素作用，以及专为考试高分准备的仅拓展部分的碰撞理论解释。

**先修:** [掌握基础化学反应和文字方程式的相关知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-0620-u3-chemical-equations/); 能够解读折线图并计算斜率

## 学习目标

- 定义反应速率，并利用单位时间内反应物消耗量或生成物生成量计算平均反应速率
- 描述3种用于测量不同类型反应速率的常用实验方法
- 解释浓度、压强、表面积、温度和催化剂对反应速率的影响（核心内容）
- 运用碰撞理论和活化能解释速率变化（仅拓展内容）
- 解读速率-时间图像，比较反应快慢并判断反应是否完成

## 什么是反应速率？

**反应速率** — 单位时间内消耗的反应物或生成的产物的量的变化。单位随测量类型变化，常见单位包括g/s、cm³/s和mol/s。

*例:* 如果10秒内生成50cm³氢气，平均反应速率为5cm³/s。

反应速率可以通过测量反应物的质量/体积减少量，或者产物的质量/体积增加量，除以该变化所用的时间来计算。平均速率的计算公式为：

$$rate = \frac{\text{change in amount of reactant or product}}{\text{time taken}}$$

**例题:** 镁与盐酸的反应在2分钟内生成24g氯化镁。计算该反应的平均速率，单位为g/s。

1. 将时间转换为要求的单位（秒）：

   $$2 \times 60 = 120 s$$
2. 将数值代入速率公式：

   $$rate = \frac{24 g}{120 s} = 0.2 g/s$$

## 测量反应速率

共有三种标准实验方法可用于测量反应速率，可根据反应的产物类型选择：

- **气体收集法**：使用气体注射器或倒置在水面上的量筒收集气态产物，按固定时间间隔记录体积
- **质量损失法**：将反应烧瓶放在电子天平上，随着气体逸出容器，按时间间隔记录质量减少量
- **消失十字法**：将反应烧瓶放在印有十字标记的纸上，计时直到无法透过生成的浑浊沉淀物看到十字为止

**例题:** 一名学生使用消失十字法进行硫代硫酸钠与盐酸的反应实验，十字在40秒后消失。计算该实验的相对反应速率。

1. 消失十字法的相对速率计算方式为1除以十字消失所用的时间：

   $$relative\thinspace rate = \frac{1}{40 s} = 0.025 s^{-1}$$
2. 更高的相对速率值对应更快的反应：如果十字在20秒后就消失，相对速率将翻倍至0.05 s⁻¹。

> **考试提示:** 在评估消失十字法时，需注意该方法依赖主观观察，因此所有测试应由同一观察者完成以获得可靠结果。

## 影响反应速率的因素（核心内容）

共有五个关键因素可以改变化学反应的速率。核心内容考生只需将这些因素与碰撞频率关联，无需涉及活化能相关内容：

- **更高的浓度（溶液）**：单位体积内的反应物粒子更多 → 反应物粒子间的碰撞更频繁 → 反应速率更快
- **更高的压强（气态反应物）**：粒子被挤压到更小的体积中 → 碰撞更频繁 → 反应速率更快
- **更大的表面积（固态反应物）**：更小的固体碎块有更多暴露在外的表面粒子 → 碰撞更频繁 → 反应速率更快
- **更高的温度**：粒子拥有更多动能，运动速度更快 → 碰撞更频繁 → 反应速率更快
- **添加催化剂**：加快反应速率且自身不会被消耗 → 反应速率更快，产物总产率不变

**例题:** 一名学生将大颗粒大理石（碳酸钙）与稀盐酸反应。说明并解释使用粉末状大理石替代大颗粒大理石对反应速率的影响。

1. 说明影响：反应速率增大。
2. 解释原因：相同质量的粉末状大理石比大颗粒大理石的总表面积大得多。
3. 关联碰撞：有更多碳酸钙粒子暴露在酸中，因此每秒内反应物粒子之间发生的碰撞更频繁。

## 碰撞理论解释（仅拓展内容要求）

> **warning**
>
> 本部分内容为拓展内容（试卷2/4）考生专属，核心内容（试卷1/3）考生可跳过本节。

**碰撞理论** — 该理论指出反应发生需要满足两个条件：1）反应物粒子以正确的取向发生碰撞，2）碰撞的能量等于或大于活化能（反应发生所需的最低能量）。

*记法:* $E_a$ = activation energy

*例:* 温度升高10°C大致会使反应速率翻倍，因为有远多于之前的碰撞满足活化能要求。

在拓展内容的作答中，你需要在核心内容的因素解释基础上补充细节，将变化关联到*有效碰撞的占比*（同时满足取向和能量要求的碰撞），而不仅仅是碰撞频率。

**例题:** 使用碰撞理论解释为什么升高反应混合物的温度会增大反应速率。

1. 升高温度会使所有反应物粒子获得更多动能，运动速度加快，导致碰撞更频繁。
2. 有占比显著更高的碰撞粒子拥有等于或大于活化能的能量，因此每秒内的有效碰撞数量增加。
3. 两种效应共同作用，使反应速率增大。

## 解读反应速率图像

反应速率图像的y轴表示产物（或剩余反应物）的量，x轴表示时间。任意时刻直线的斜率等于该时刻的反应速率：

- 斜率越陡 = 反应速率越快
- 随着反应物被消耗，斜率随时间逐渐减小
- 水平直线 = 反应已完成，不再生成新的产物

**例题:** 某大理石与酸反应的图像，绘制的是生成的二氧化碳体积随时间的变化关系，在10秒时斜率为10 cm³/s，在30秒时斜率为2 cm³/s。解释这些数值反映的反应进程。

1. 在10秒时，反应速率很快：每秒生成10 cm³的CO₂。
2. 在30秒时，反应速率减慢至2 cm³/s，因为随着盐酸和大理石被消耗，它们的浓度和质量都下降了。
3. 当斜率变为0时，限制性反应物已完全消耗，反应结束。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称催化剂在反应中会被消耗
  - 原因: 催化剂仅降低活化能，不属于反应物，在反应结束后化学性质保持不变
  - 正确做法: 必须明确说明催化剂可以加快反应速率且不会被消耗，因此可以无限重复使用
- **错误做法:** 计算速率时忘记转换时间单位
  - 原因: 考试题中给出的时间通常以分钟为单位，如果不转换为秒，得到的速率单位g/s或cm³/s的数值就会出错
  - 正确做法: 首先确认题目要求的速率单位，将时间转换为对应单位后再代入速率公式计算
- **错误做法:** 在拓展题答案中仅提到升温会使碰撞更频繁
  - 原因: 拓展部分的评分标准要求你说明有更高比例的碰撞满足活化能要求，而不只是碰撞更频繁
  - 正确做法: 在回答拓展部分的碰撞理论相关题目时，必须将温度升高同时关联到更频繁的碰撞，以及粒子能量升高带来的更多成功碰撞
- **错误做法:** 认为更大块的固体拥有更大的表面积
  - 原因: 相同质量的固体，小块的总暴露表面积比大块的更大，例如100g粉末的表面积远大于100g的整块固体
  - 正确做法: 牢记：颗粒尺寸越小 = 表面积越大 = 反应速率越快
- **错误做法:** 用时间除以生成物/反应物的量来计算速率
  - 原因: 速率的定义是单位时间内的变化量，不是单位变化量对应的时间，倒置计算会得到错误结果
  - 正确做法: 使用公式 $rate = \frac{\text{change in amount}}{\text{time taken}}$ 计算，计算完成后检查单位是否符合g/s、cm³/s或其他要求的单位

## 速查表

| 影响因素 | 核心内容对速率的影响 | 拓展内容碰撞理论解释 |
| --- | --- | --- |
| 溶液浓度升高 | 速率加快 | 单位体积内粒子数更多 → 更频繁的成功碰撞 |
| 气体压强升高 | 速率加快 | 粒子间距更小 → 更频繁的成功碰撞 |
| 固体表面积增大 | 速率加快 | 更多暴露的反应物粒子 → 更频繁的成功碰撞 |
| 温度升高 | 速率加快 | 粒子运动更快，更多粒子能量≥ $E_a$ → 每秒发生更多成功碰撞 |
| 加入催化剂 | 速率加快 | 降低活化能 → 更高比例的碰撞为有效成功碰撞 |

## 下一步

在掌握CIE IGCSE化学0620考纲的反应速率相关内容后，你可以继续学习可逆反应与平衡部分，该部分会用到本章介绍的动力学相关概念。请务必练习反应速率计算、图像解读、影响因素解释相关的结构化真题，巩固所学内容，同时注意核心卷和拓展卷的不同答题要求。选择拓展卷的考生要重点练习碰撞理论相关题目，这类题目通常是Paper 4中的高分值拓展问答题。

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