反应速率

化学· 6.2· 40 分钟阅读

1. 什么是反应速率？★☆☆☆☆⏱ 5 min

📘 定义

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

2. 测量反应速率★★☆☆☆⏱ 10 min

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。

Exam tip:

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。

3. 影响反应速率的因素（核心内容）★★☆☆☆⏱ 12 min

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。

4. 碰撞理论解释（仅拓展内容要求）★★★☆☆Extended 专属⏱ 10 min

📘 定义

碰撞理论

$E_{a}$ = activation energy

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）。

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。

5. 解读反应速率图像★★★☆☆⏱ 8 min

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。

6. 常见陷阱

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 $r a t e = \frac{change in amount}{time taken}$ 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

7. 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

8. 常见问题

本主题的核心内容和拓展内容有什么区别？

核心内容涵盖速率计算、测量方法以及速率影响因素的基础解释。拓展内容新增碰撞理论、活化能以及对速率变化的更详细论证。

我需要熟记所有反应速率的实验方法吗？

是的，考试题目中会要求你描述、比较或评估3种常用方法（气体收集法、质量损失法、消失十字法）。

如何解读速率图像上的平缓线段？

生成物质量/体积随时间变化的图像上的水平平缓线段代表反应已经结束：由于一种或所有反应物已被完全消耗，不再有新的生成物生成。

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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。