反应速率

化学· 第8单元：反应动力学· 15 分钟阅读

1. 反应速率的定义与测量★★☆☆☆⏱ 5 min

✓ 计算器

📘 定义

反应速率

$r = - \frac{d [ reactant ]}{d t} = \frac{d [ product ]}{d t}$

反应速率是单位时间内反应物或生成物浓度的变化量。反应物浓度随时间降低，因此添加负号以保证速率为正值。

例:

对于反应 $C a C O_{3} + 2 H C l \to C a C l_{2} + C O_{2} + H_{2} O$ ，速率可以用每秒产生的 $C O_{2}$ 的质量增量来测量。

反应速率总是通过实验测定：跟踪反应混合物某一可测性质随时间的变化。该性质必须与反应物或生成物的浓度成比例变化，才能准确测量速率。

📐 例题

一块5.0 g的碳酸钙与过量盐酸反应。2分钟后，收集得到0.88 g $C O_{2}$ 。以g s⁻¹为单位计算生成 $C O_{2}$ 的平均反应速率。

1
将总反应时间转换为秒，确定生成 $C O_{2}$ 的总质量：
2
$\Delta m(CO_2) = 0.88 \text{ g}, \Delta t = 2 \times 60 = 120 \text{ s}$
3
平均速率等于质量变化除以时间变化：
4
$\text{Average rate} = \frac{\Delta m}{\Delta t} = \frac{0.88}{120} = 7.3 \times 10^{-3} \text{ g s}^{-1}$

Exam tip:

CIE阅卷官总会给正确的速率单位打分，千万不要忘记写上与题目匹配的单位。

2. 平均速率与瞬时速率★★★☆☆⏱ 6 min

✓ 计算器

在CIE考试中，你需要区分三种关键的速率类型：

平均速率：在两个点之间的时间间隔内计算得到的速率
瞬时速率：某一特定时刻的速率
初始速率：反应刚开始时 $t = 0$ 时刻的瞬时速率

📐 例题

反应物A的浓度-时间图像在 $t = 20$ s处的切线经过(0 s, 1.0 mol dm⁻³)和(40 s, 0.4 mol dm⁻³)两点。计算20 s时的瞬时速率。

1
瞬时速率等于目标点处曲线切线斜率的绝对值：
2
$\text{Gradient} = \frac{\Delta [A]}{\Delta t} = \frac{0.4 - 1.0}{40 - 0} = \frac{-0.6}{40} = -0.015$
3
速率始终为正值，因此取斜率的绝对值：
4
$\text{Rate} = |-0.015| = 0.015 \text{ mol dm}^{-3} \text{ s}^{-1}$

✓ 快速检测

测试你对核心定义的理解：

以下哪一项正确定义了初始速率？
- 反应前10秒的平均速率
- 反应物混合后 $t = 0$ 时刻的瞬时速率
- 反应过程中达到的最大速率
- 一半反应物被消耗时的速率
显示答案
1 —
初始速率特指反应开始瞬间的速率，该概念广泛用于动力学实验。

3. 速率测量的常用实验方法★★★☆☆⏱ 7 min

✓ 计算器

CIE AS考试经常要求描述测量给定反应速率的合适方法。你选择的方法取决于反应过程中发生变化的性质。

产气反应：用气体注射器收集气体，测量不同时间间隔的总体积，或随时间测量反应混合物的质量损失
含有色物质的反应：用比色计测量吸光度，吸光度与有色物质的浓度成正比，可随时间跟踪浓度变化
沉淀反应（例如硫代硫酸钠+盐酸）：记录反应烧瓶下方的十字消失所需的时间，然后用 $\frac{1}{time}$ 作为相对初始速率的度量
$H^{+}$ 浓度发生变化的反应：用pH计跟踪pH随时间的变化，计算 $[H^{+}]$

📐 例题

描述如何测量镁与不同浓度盐酸反应（生成氢气）的相对速率。

1
搭建实验装置：将盛有已知浓度盐酸的锥形瓶放在天平上，加入固定质量的镁条，迅速在瓶口塞好棉花。
2
启动秒表，2分钟内每10秒记录一次锥形瓶及内容物的质量。质量损失等于生成氢气的质量。
3
使用相同质量的镁和不同浓度的盐酸重复实验。为每个实验绘制质量损失-时间图像，从t=0处切线的斜率计算初始速率，比较不同反应的速率。

Exam tip:

描述实验方法时，一定要提到：你测量的变量是什么、使用什么仪器，以及如何随时间记录数据。

4. 从图像数据计算速率★★☆☆☆⏱ 4 min

✓ 计算器

📐 例题

10 s时生成的气体总体积为22 cm³，30 s时为58 cm³。计算10 s到30 s之间的平均反应速率。

1
计算两点之间的体积变化和时间变化：
2
$\Delta V = 58 - 22 = 36 \text{ cm}^3, \Delta t = 30 - 10 = 20 \text{ s}$
3
体积变化除以时间变化得到平均速率：
4
$\text{Average rate} = \frac{36}{20} = 1.8 \text{ cm}^3 \text{ s}^{-1}$

5. 常见陷阱

错误做法:

忘记给计算出的速率加上单位

原因:

CIE总会为正确的单位分配一分，大多数考生因为粗心丢了这一分

正确做法:

始终写上与题目中给出的物理量匹配的单位，常见单位包括mol dm⁻³ s⁻¹、g s⁻¹和cm³ s⁻¹

错误做法:

将曲线上两点之间的斜率作为瞬时速率计算

原因:

两点之间的斜率是该区间的平均速率，不是单个点的瞬时速率

正确做法:

始终在目标点处绘制曲线的切线，然后计算切线的斜率得到瞬时速率

错误做法:

使用反应物浓度数据时，报告速率为负值

原因:

按照惯例，速率被定义为正值，负值说明你没有考虑反应物浓度在降低

正确做法:

从反应物浓度-时间图像计算速率时，始终取斜率的绝对值

错误做法:

在十字消失实验中声称1/time是实际初始速率

原因:

1/time仅与初始速率成正比，它不是具有浓度每时间单位的实际速率

正确做法:

说明初始速率 $\propto \frac{1}{time}$ ，因此1/time可用于比较不同实验之间的相对速率

6. 速查表

物理量	定义	计算方法	常见单位
平均速率	单位时间内间隔的变化量	$\frac{Δ [ 物种 ]}{Δ t}$	mol dm⁻³ s⁻¹、g s⁻¹、cm³ s⁻¹
瞬时速率	特定时刻的速率	浓度-时间图像切线的斜率	与平均速率相同
初始速率	$t = 0$ 时刻的瞬时速率	$t = 0$ 处切线的斜率	与平均速率相同
相对速率	反应速率的比较	$\frac{1}{时间（十字消失实验）}$	s⁻¹

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 1
根据数据计算平均速率
2023 · 2
描述速率测量方法
2021 · 1
由切线求瞬时速率

下一步

理解反应速率的定义以及如何通过实验测量它，是反应动力学所有后续主题的基础。接下来，你将探究不同因素（浓度、温度、表面积、催化剂）如何影响反应速率，然后学习如何确定反应级数，从初始速率数据构建速率方程。这些主题在AS和A-Level CIE化学考试分数中占很大比例，因此在这里打下坚实的基础对获得高分至关重要。