IB Chemistry SL 化学动力学 — 完整学习指南

适用对象：备考 IB Chemistry SL 的中国学生。

本章覆盖：IB Topic 6 — 反应速率定义与测量、碰撞理论、影响速率因素（浓度、表面积、温度、催化剂）、Maxwell-Boltzmann 分布。

关于练习题的说明：下文练习题均为我们按 IB Chemistry SL 风格原创的教学题。

1. 为什么动力学重要

Topic 6 回答「反应有多快？」Topic 5（能量学）答「能量多少？」Topic 7（平衡）答「反应进行多远？」三者共同描述化学反应。

考试约 7-9% 直接考 Topic 6，但动力学思想支撑 Topic 7（速率 vs 平衡）和 HL Topic 16（速率定律与机理）。

2. 反应速率

速率 = 单位时间浓度变化： $$\text{速率}=-\frac{\Delta [\text{反应物}]}{\Delta t}=+\frac{\Delta [\text{产物}]}{\Delta t}$$

单位：mol·dm⁻³·s⁻¹。

反应 $aA+bB\to cC+dD$： $$\text{速率}=-\frac{1}{a}\frac{\Delta [A]}{\Delta t}=+\frac{1}{c}\frac{\Delta [C]}{\Delta t}$$

实验测速率方法：

• 气体生成：收集气体测体积。
• 质量减少：天平测质量。
• 比色法：吸光度（有色物种）。
• pH 变化：酸碱反应用 pH 计。
• 电导率：离子物种变化。

3. 碰撞理论

反应发生需要：

1. 粒子碰撞。
2. 碰撞能量足够（$E\ge E_a$ 活化能）。
3. 碰撞取向正确。

增大碰撞频率或有效碰撞比例（满足能量+取向）就提速。

4. 影响速率的因素

浓度/压力：单位体积粒子多 → 单位时间碰撞多 → 速率快。[A] 翻倍，涉 A 碰撞约翻倍。

表面积（异相反应）：暴露反应物多 → 碰撞位点多。粉末大理石加酸比块状快很多。

温度：高温粒子运动快（多碰撞），且 $E\ge E_a$ 比例升高（Maxwell-Boltzmann 移）。指数效应 — 升温 10 °C 通常速率翻倍。

催化剂：提供低活化能的替代路径。增大 $E\ge E_a$ 比例，自身不消耗。

5. Maxwell-Boltzmann 分布

给定温度下粒子能量分布。关键特征：

• 峰在最可几能量。
• 右侧长尾（高能粒子）。
• 曲线下总面积 = 1（或粒子总数）。
• $E\ge E_a$ 粒子在活化能线右侧。

升温时：

• 峰右移并降低（更宽散）。
• 尾延伸更远。
• $E\ge E_a$ 比例显著增大 — 这是温度对动力学的主导效应。

加催化剂时：

• 分布本身不变。
• 活化能线左移（$E_a$ 降低）。
• $E\ge E_a$ 比例增大。

6. 催化剂

催化剂：

• 降低 $E_a$：提供替代反应路径。
• 不消耗（可分步再生）。
• 正反速率同等加快 — 不移动平衡位置。
• 常为过渡金属（Pt、Pd、Ni、Fe、V）或特定有机物（酶）。

均相催化剂：与反应物同相。异相：不同相（如固体催化剂 + 气/液反应物 — 表面吸附）。

7. 例题精讲

0.50 M 硫代硫酸钠溶液与 HCl 混合。${\text{S}}_2{\text{O}}_3^{2-}+2{\text{H}}^{+}\to \text{S}(s)+{\text{SO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}$ 产生硫沉淀遮住烧杯底下的「十字」。十字消失时间 60 s。

(a) 同体积但 1.0 M 硫代硫酸钠重复。预测时间。 (b) 同实验 35 °C 替换 25 °C。定性预测时间。 (c) 加一滴 CuSO₄（催化剂）。预测时间与硫平衡量。

解答。

(a) [S₂O₃²⁻] 翻倍 → 速率约翻倍 → 时间约减半到 ~30 s。

(b) 升温 10 °C 通常速率翻倍。时间约减半到 ~30 s 或更短（依活化能定）。

(c) 催化剂降 $E_a$ → 速率快 → 时间短。硫平衡量不变（催化剂不影响平衡位置，只加速达到平衡）。

8. 易错点

• 化学计量系数与速率：反应速率是同一个值，无论测哪个物种。但用 $\frac{1}{\text{系数}}\frac{\Delta [X]}{\Delta t}$ 把物种速率换为反应速率。
• 浓度 vs 量：固定反应物量增大体积 → 浓度降 → 速率减。常见陷阱。
• 催化剂与平衡：正反同等加速 → 平衡位置不变。不要说「催化剂提高产率」。
• Maxwell-Boltzmann：温度高时曲线展宽变低。总面积不变，分布展宽。

9. 练习题

1. 反应 $A+B\to C$ 中，[A] 翻倍速率翻倍、[B] 翻倍速率 4 倍。求速率定律。
2. 一级反应半衰期 30 s。多长时间反应物消耗 87.5%？
3. 画 $T_1<T_2$ 两温度下的 Maxwell-Boltzmann 分布，标活化能线。指明每种情况下能反应的粒子比例。

10. 速查表

• 速率 = $-\Delta [\text{反}]/\Delta t=+\Delta [\text{产}]/\Delta t$。
• 碰撞理论：碰撞 × 正确取向 × 足够能量。
• 提速：↑ 浓度、↑ 表面积、↑ 温度、加催化剂。
• $T$ ↑ 10 °C ≈ 速率 ×2（经验法则）。
• 催化剂：降 $E_a$、不消耗、不影响平衡。
• Maxwell-Boltzmann：高温下峰右移变低；尾延伸；$\ge E_a$ 比例 ↑。

11. 下一步

动力学直接喂入 Topic 7（平衡） — 平衡时正反速率相等。HL Topic 16 扩展为速率定律（$r=k[A{]}^m[B{]}^n$）与反应机理。具体机理或速率定律推导可问小欧。