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化学反应速率

我们知道各种化学反应进行得有快有慢。例如，酸碱中和反应瞬时就能完成，钢铁制品的生锈则是缓慢发生的，而石油更是需要历经上亿年才能形成。通过调控化学反应的快慢，可以减缓食物的腐败，可以提高化学工业的生产效率。因此，认识化学反应快慢的规律及影响因素，可以更好地满足工农业生产和日常生活的实际需要

## 化学反应速率
化学反应的“快”和“慢”是相对而言的，如何衡量化学反应进行的快慢？如何对化学反应的快慢做调控？在化学研究中，我们需要用一种定量的方法来描述化学反应的“快”和“慢”。下面，让我们从大理石与盐酸反应的快慢开始探究

**实验：大理石与盐酸反应的速率**

（1） 取一干燥的锥形瓶和棉花置于电子天平上称重，然后天平清零。
（2） 量取适量的1.0 mol·L—1稀盐酸置于锥形瓶中，读数记为m1（精确到0.001 g）。
（3） 将质量为m2的块状大理石加入锥形瓶，瓶口塞上棉花，此时反应混合物总质量记为m总。
（4） 从固液混合后开始计时，每隔10 s记录反应混合物的总质量，直至反应结束，将数据记录在下表中

（5） 请在坐标中画出反应混合物质量m总随着时间变化的图像。

化学中用化学反应速率来描述和表示反应的快慢。化学反应开始后，各种反应物的量不断地减少，生成物的量不断地增加，我们常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加（均取正值）来定量地表示化学反应速率，其一般表达式为：

$$
v=\frac{\Delta c}{\Delta t}
$$

式中：$v$ 表示化学反应速率，$\Delta t$ 表示时间变化，$\Delta c$ 表示在 $\Delta t$ 这段时间某一反应物或生成物的物质的量浓度变化。浓度的单位一般用 $\mathrm{mol} \cdot \mathrm{L}^{-1}$ ，时间的单位可选择 $\mathrm{s} 、 \mathrm{~min}$等。因此化学反应速率的单位通常是 $\mathrm{mol} \cdot \mathrm{L}^{-1} \cdot \mathrm{~s}^{-1}$ 或 $\mathrm{mol} \cdot \mathrm{L}^{-1} \cdot \mathrm{~min}^{-1}$ 等。式中 $v$ 表示 $\Delta t$ 这段时间内化学反应的平均速率。

**想一想** 反应 $\mathrm{A}+2 \mathrm{~B}=3 \mathrm{C}+2 \mathrm{D}$ 在溶液中进行，反应物 A 的起始浓度是 $1.0 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ ，经过 1 min 后， A 的浓度变成了 $0.8 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ ，则在这 1 min 内 $v(\mathrm{~A})$ 是多少？$v(\mathrm{~A})$ 可以代表该化学反应全程的速率吗？

## 影响化学反应速率的因素
化学反应速率跟许多因素有关。如图6.2所示，在相同条件下，同时将锌片和铜片分别插入相同浓度的硝酸银溶液中，经过一段相同的时间后观察到：锌与硝酸银反应产生的银比铜与硝酸银反应产生的银更多，说明这两个化学反应的速率不同，表明化学反应速率与反应物自身的性质有关。
除此之外，相同的反应在不同的条件下也会有不同的反应速率，说明外界条件对化学反应速率会产生一定的影响。下面通过实验来探究影响化学反应速率的外界因素。

### 影响化学反应速率的因素
1. 浓度对化学反应速率的影响
取两支Y形试管，各在一侧支管中分别放入1根长约2 cm去除了氧化膜的镁带，然后在另一侧支管中分别加入4 mL 0.1 mol·L—1、4 mL 0.5 mol·L—1的盐酸，连上压强传感器，如图6.3所示。点击采集按钮后，将两支Y形试管同时倾斜，使盐酸接触镁带并使试管浸在水浴中，观察显示器上采集到的压强数据的变化。

![图片](/uploads/2025-10/6844dc.jpg)
 
 2．温度对化学反应速率的影响
分别量取 $30 \mathrm{~mL} 0.1 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1} \mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_3$ 溶液加人两支大试管，将一支浸人热水浴中，另一支浸人冰水浴中。再分别量取 $15 \mathrm{~mL} 0.1 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ 盐酸加人另外两支大试管，将两支大试管分别放人上述两个水浴中，如图 6.4 （a）所示。静置达到水浴温度。

![图片](/uploads/2025-10/5e4b33.jpg)

取两只烧杯，在杯侧面贴上写有＂ X ＂的纸，分别将上述同一温度下的两支试管中的溶液倒人烧杯并开始计时，直到杯侧面＂X＂看不清时，如图 6.4 （b）所示。停止计时，记录时间。反应的化学方程式是：

$$
\mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_3+2 \mathrm{HCl}=\mathrm{S} \downarrow+\mathrm{SO}_2 \uparrow+2 \mathrm{NaCl}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

3. 催化剂对化学反应速率的影响
在两支试管中分别加入3 mL 3%的$H_2O_2$溶液，向其中一支试管加入少量固体二氧化锰，观察两支试管中产生氧气的情况。将上述实验现象和实验结论填入下表中

#### 新型甲烷转化催化剂
天然气是一种重要的化石能源，随着探明储量和开采量的不断提升，天然气已成为极具经济价值的自然资源之一。如果能对天然气进行直接的化学转化，那么不仅可以实现天然气的高附加值利用，而且还能避免天然气运输带来的高额费用等问题。然而，对天然气进行直接转化并非易事。天然气中的主要成分是甲烷，而甲烷性质稳定很难被转化。科学家发现了成本低廉、转化高效的催化剂组合——铁硅催化剂，将甲烷转化成乙烯和芳香化合物。这一催化剂的开发和研制，为人类充分利用甲烷提供了解决方案，在医药、农业化学品和精细化工等行业中具有广泛应用前景。

对上述探究结论进行整理，归纳和总结外界因素对化学反应速率的影响，完成下表。

![图片](/uploads/2025-10/1a2735.jpg)
 
 总之，反应物颗粒大小、浓度、温度、催化剂、压强等外界因素都可能对化学反应速率产生影响。现在，你能列举出调控大理石与盐酸反应速率的方法了吗？
 
#### 飞秒化学和超快化学反应动力学
在宏观层面上，化学反应速率表现得有快有慢。在微观层面上，反应中化学键的断裂与形成总是很快的，其时间大约在皮秒（ $\mathrm{ps}, 1 \mathrm{ps}=10^{-12} \mathrm{~s}$ ）至飞秒（ fs ， $1 \mathrm{fs}=10^{-15} \mathrm{~s}$ ）量级。观察和研究如此快速的反应过程中分子内部状态和结构的变化，需要使用比化学键断裂、分子内部振动等更快速的探测工具。这些正是飞秒化学和超快化学反应动力学的基本研究内容。

光的传播速度是 $3 \times 10^8 \mathrm{~m} \cdot \mathrm{~s}^{-1}$ ，在 1 fs 时间里，光只能走 $0.3 \mu \mathrm{~m}$ 。美国、埃及双重国籍物理化学家泽韦尔（Ahmed Zewail，1946－2016）利用光程差来达到飞秒级的时间分辨，他用飞秒激光泵探测技术，观测了氰化碘的光分解反应。这是人们通过实验首次观察到了基元反应过程，大大推进了人类对化学反应微观过程的认识，泽韦尔也因此荣获了1999年诺贝尔化学奖。

`例`在一定条件下，用N2、H2等原料来合成氨，测得不同时刻各物质的浓度见下表。

![图片](/uploads/2025-10/8a67af.jpg)
 	
请根据 $v\left(\mathrm{~N}_2\right)$ 的计算示例，完成下列问题。
（1）计算 $v\left(\mathrm{H}_2\right)$ 和 $v\left(\mathrm{NH}_3\right)$ 的值。
（2）$v\left(\mathrm{~N}_2\right) 、 v\left(\mathrm{H}_2\right)$ 和 $v\left(\mathrm{NH}_3\right)$ 的数值是否相等？它们的比值等于多少？此比值与化学方程式中各物质的化学计量数之比有什么关系？
（3）若要加快该反应的速率，可以采取哪些措施？

解：请根据 $v\left(\mathrm{~N}_2\right)$ 的计算示例，完成下列问题。
（1）计算 $v\left(\mathrm{H}_2\right)$ 和 $v\left(\mathrm{NH}_3\right)$ 的值。
（2）$v\left(\mathrm{~N}_2\right) 、 v\left(\mathrm{H}_2\right)$ 和 $v\left(\mathrm{NH}_3\right)$ 的数值是否相等？它们的比值等于多少？此比值与化学方程式中各物质的化学计量数之比有什么关系？
（3）若要加快该反应的速率，可以采取哪些措施？
 （1）根据化学反应平均速率的一般表达式 $v=\frac{\Delta c}{\Delta t}$ ，进行计算：

$$
\begin{aligned}
& v\left(\mathrm{H}_2\right)=-\frac{(0.85-1.00) \mathrm{mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}}{5 \mathrm{~min}}=0.03 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1} \cdot \min ^{-1} \\
& v\left(\mathrm{NH}_3\right)=\frac{(0.10-0.00) \mathrm{mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}}{5 \mathrm{~min}}=0.02 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1} \cdot \mathrm{~min}^{-1}
\end{aligned}
$$

（2）$v\left(\mathrm{~N}_2\right) 、 v\left(\mathrm{H}_2\right)$ 和 $v\left(\mathrm{NH}_3\right)$ 的数值虽不相等，但 $v\left(\mathrm{~N}_2\right): v\left(\mathrm{H}_2\right)$ ： $v\left(\mathrm{NH}_3\right)=1: 3: 2$ ，其比值等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。
（3）这是一个有气态物质参与的反应，影响该反应速率的因素有浓度、温度、压强和催化剂等。增大反应物 $\mathrm{N}_2 、 \mathrm{H}_2$ 的浓度，升高温度、增大压强或使用合适的催化剂，都能加快该反应的速率。

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