复习笔记：反应速率

这份笔记一次处理反应速率一章的一条内容标准，让你能逐部分复习、并核对你是否掌握了评分方案所期望的定义与碰撞理论推理链。把它放在历年题旁边，用它来核实你的答案。

7.1 反应速率的概念

反应速率是单位时间内反应物或生成物量的变化。由于任何随反应进行而改变的量都可用来追踪反应，你可以用几种方式量度速率：释放的气体体积（用气体注射器）、质量的减少（用电子天平）、生成固定量沉淀所需的时间，或颜色、pH 或电导率的变化。

无论用哪种方法，速率的单位都是某个量除以时间，例如 cm³ s⁻¹、g s⁻¹ 或 mol dm⁻³ s⁻¹。

要分清的两种速率。 某段时间内的平均速率是总变化除以总时间。某一瞬间的瞬时速率是曲线在该点的梯度。考试两者都会问，所以要仔细读题。

一个经典的可量度反应是硫代硫酸钠与稀酸反应，其中硫形成浑浊的沉淀；你测量烧杯下方的记号消失所需的时间，而速率与 1 ÷ 时间成正比。

7.2 影响反应速率的因素

四个因素被反复考查，你必须能说出每一个并预测其效果：

• 溶液的浓度，浓度越高，速率越快。
• 温度，温度越高，速率越快。
• 表面积（固体暴露的总面积，即颗粒越小或成粉末），表面积越大，速率越快。
• 催化剂，合适的催化剂使速率更快。

对气体而言，提高压力与提高浓度有同类的效果。关键的技能不只是列出因素，而是用同一个观念，碰撞理论，去解释每一个，这正是本章的核心。

7.3 碰撞理论

碰撞理论是考试对四个因素都要求的唯一解释，所以要学得精确。它的论点是：

• 粒子必须碰撞才能反应。
• 只有部分碰撞导致反应。导致反应的碰撞是有效碰撞，碰撞的粒子必须具有等于或大于活化能的能量，并且以正确的取向碰撞。
• 活化能是碰撞粒子必须具备、才能使碰撞有效的最低能量。
• 反应速率取决于有效碰撞的频率，单位时间内发生多少次有效碰撞。

拿分的推理链。 每一个解释都应以「……因此有效碰撞的频率增加，速率增加」结尾。停在「更多碰撞」的答案并不完整。

现在把这条链用到每个因素上。浓度更高： 同样体积内有更多反应物粒子，所以碰撞更频繁，所以有效碰撞更频繁，所以速率增加。

温度更高： 粒子运动更快、具有更多动能，所以它们碰撞更频繁，而且有更大比例的碰撞能量超过活化能，两者都提高有效碰撞的频率，所以速率增加。表面积更大： 固体有更多粒子暴露在表面，所以与另一反应物的碰撞更频繁，所以有效碰撞更频繁，所以速率增加。

催化剂： 它提供一条活化能较低的替代路径，所以更大比例的碰撞现在变得有效，所以速率增加。

7.4 反应中的催化剂

催化剂是一种改变化学反应速率、而自身在反应结束时化学性质不变的物质。本章你主要处理正催化剂，它使反应加快。

记住这些特征：

• 它通过提供一条活化能较低的替代反应路径起作用；它不改变反应物或生成物，也不会使生成更多产物。
• 它的质量和化学组成在反应结束时与开始时相同，所以可以回收再用。它的物理形态看起来可能不同，但化学上没有改变。
• 通常只需少量，而且催化剂往往对某一特定反应具有专一性。

常引用的例子有：二氧化锰用于过氧化氢的分解、铁用于哈柏法、五氧化二钒用于接触法，以及作为生物催化剂的酶。在能量图上，催化剂降低了粒子必须翻越的「山丘」，这就是为什么更多碰撞能够越过它。

7.5 速率计算与图表

大多数速率图把气体体积（或烧瓶质量）对时间作图。曲线起初陡峭上升，然后弯曲并变平到一个平台。

• 任一点的梯度就是该瞬间的速率。 它在开始时最陡，因为反应物浓度最高、有效碰撞最频繁。
• 随着反应物被消耗，梯度减小，在平台处变为零，此时反应已停止。
• 平均速率 = 气体总体积 ÷ 所用总时间。
• 平台的高度显示产物的总量，它取决于限量反应物的量，而不是速率。

读两条曲线。 起始梯度较陡表示反应较快。若两个实验使用相同量的限量反应物，即使一个更快，两者也会到达相同的平台；平台更高表示用了更多反应物。这种比较是非常常见的图表题。

对气体，你可以从摩尔数预测最大体积：体积 = 气体摩尔数 × 摩尔体积，使用 气体摩尔体积在室温下为24 dm³ mol⁻¹。

如何使用这份笔记

一次复习一条内容标准，把碰撞理论的推理链大声说出来直到自动。对 7.1，列出可量度的量及其单位。

对 7.2，说出四个因素及其效果方向。对 7.3，为每个因素写出完整的链。

对 7.4，逐字记牢催化剂的定义。对 7.5，画一条体积-时间曲线，标出速率最快、正在变慢、以及为零的位置。

然后做练习题，并按这些定义批改自己。

一位一对一老师可以检查你每个因素的答案是否都以「有效碰撞的频率」结尾，这是本章学生最常丢分的地方。因为速率的观念会在工业过程和中五的平衡中再次出现，贯穿整个 SPM化学，现在把碰撞理论巩固好，日后会有回报。

详解：为什么粉末比块状反应更快

假设相同质量的碳酸钙与稀酸反应，一次是一整块，一次是细粉末。粉末的总表面积大得多，所以有多得多的碳酸盐粒子暴露于酸。

更多暴露的粒子意味着酸与碳酸盐之间的碰撞更频繁，所以有效碰撞更频繁，所以起始速率更高，粉末的曲在线升更陡。因为碳酸盐的质量相同，两者到达相同的二氧化碳最终体积；只是快慢不同。

能够把「多快」（梯度）与「多少」（平台）分开，正是考试所看重的区分。