实验：表面积对反应速率的影响

表面积是最清楚地显示固体反应物的状态如何改变速率的因素，也是常见的试卷三探究。通过保持大理石质量相同、只改变它是大块还是细粉，你就把表面积隔离为唯一的变量。

本指南列出目的、方法、观察，以及实验考试所看重的试卷三技能，连同评分方案所期望的碰撞理论解释。

目的

调查大理石（碳酸钙）的总表面积如何影响它与稀盐酸的反应速率，以二氧化碳气体产生的快慢来衡量。

仪器与材料

• 两个锥形瓶
• 气体注射器，或用于排水集气的量筒与水槽
• 配有塞子的导气管，塞子须与锥形瓶吻合
• 秒表
• 量筒（例如 50 cm³）
• 电子天平
• 大理石大块与大理石粉末，均为碳酸钙
• 一种固定浓度的稀盐酸

步骤

1. 称取固定质量的大理石大块，另外称取相同质量的大理石粉末。
2. 向每个锥形瓶量取相等的固定体积、相同浓度的稀盐酸。
3. 把大理石大块加入第一个锥形瓶，立即装上塞子和接到气体注射器的导气管，并马上启动秒表。
4. 每隔固定时间（例如每 30 秒）记录收集到的二氧化碳体积，直到反应停止。
5. 用第二个锥形瓶里的大理石粉末重复步骤 2 至 4，保持大理石的质量、酸的体积与浓度以及温度相同。
6. 把大块与粉末的气体体积对时间画在同一组坐标轴上，比较曲线的陡度。

预期观察

两个反应都出现起泡，因为二氧化碳被释放，气体注射器的活塞向外移动。用粉末时，起初起泡剧烈得多，气体收集得更快，气体体积对时间的曲线在前段更陡。

因为用了相同质量的大理石，两次实验最终给出相同的气体末体积；粉末只是在更短时间内达到那个体积。大块反应较温和，需要更长时间才结束。

推断与结论

起始处更陡的曲线显示更快的速率，所以粉末比大块反应得更快。碰撞理论解释了这一点：相同质量的粉末暴露给酸的总表面积大得多，所以酸粒子能与固体碰撞的地方多得多。

酸与大理石表面之间更频繁的碰撞给出每秒更多的有效碰撞，因而给出更快的速率。结论是：更大的表面积增大反应速率；而气体的末体积只取决于所用大理石的质量。

科学过程技能（试卷三风格）

提出假设。 当大理石的表面积增大时，反应速率增大。

假设把操纵变量与反应变量联系起来。

辨认变量。 操纵变量是大理石的表面积（大块或粉末）。

反应变量是反应速率，以固定时间内收集到的气体体积来衡量。固定变量是大理石的质量、酸的体积与浓度，以及温度。

列表记录数据。 画一个表，一列为时间，另设几列记录用大块和用粉末时收集到的气体体积，均按气体注射器所允许的相同精度记录。

画图。 把两种形态大理石的气体体积（y 轴）对时间（x 轴）画在同一组坐标轴上。

较陡的曲线（粉末）表示反应较快，而两条曲线都在相同的末体积处趋于平缓。

作出操作性定义。 反应速率用操作方式定义为：单位时间内收集到的二氧化碳体积，或一除以收集固定体积气体所需的时间。

作出推断。 粉末反应较快，因为它更大的表面积使酸与固体之间的碰撞更频繁，这是考官所看重的碰撞理论推理。

安全须知

• 戴安全护目镜，因为稀盐酸有刺激性，溅到会伤害眼睛。
• 小心加入粉末，因为细粉可能反应很快、引起急剧起泡而喷溅液体；应轻轻加入，装塞子时不要硬塞。
• 未接上导气管前不要密封锥形瓶，因为所产生气体的压力可能积聚。
• 皮肤若被酸溅到，立即用大量水冲洗，因为酸有刺激性。

常见错误

• 使用不同质量的大理石。 若质量不同，末体积不同、比较不公平；应称取相同质量的大块与粉末。
• 粉末实验时装塞子太慢。 粉末反应快，塞子迟了气体很快就逸出；应把装置备好，在粉末放入的一瞬间接好。
• 酸的体积或浓度不同。 这会独立于表面积改变速率；两次实验都应保持酸相同。
• 带视差读气体体积。 在视线平齐处读注射器，使体积正确。
• 由末体积下结论。 两次实验都终止在相同体积；差别在于到达的快慢，所以应比较前段的斜率。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们用大块对粉末的比较把表面积讲得具体：质量相同、酸相同，只有块的大小改变。我们按评分方案所期望的措辞反复演练碰撞理论答案，更大的表面积暴露更多固体，所以与酸的碰撞更频繁，并说明为什么两条曲线终止在相同体积。

因为表面积是 SPM化学 里考查的四个速率因素之一，也是标准的试卷三实验（试卷三为实验考试，评估科学过程技能），在这里用一套清楚的方法，能守住容易分。