化学反应速率的概念

铁钉放在潮湿的空气中，几天后表面便出现红褐色锈斑；同样是化学反应，镁条一旦点燃，耀眼的白光转瞬即逝；盐酸滴在石灰石上，气泡持续冒出，反应能维持数分钟；而爆炸物的引爆，整个过程在毫秒之内完成。这些现象说明，化学反应进行的快慢可以相差极大。化学反应速率，就是用来定量描述这种“快”与“慢”的物理量。

反应快慢的直观感受

自然界和工业生产中的化学反应，速率跨越了极大的范围。有的反应极其缓慢，几乎觉察不到；有的反应迅速猛烈，难以控制。下表列出了一些常见反应的大致速率范围，帮助建立对“快”与“慢”的基本认知。

对于化学工作者来说，仅仅知道反应“快”或“慢”还不够，需要用一个具体的数值来精确衡量反应进行的速率。这就引出了“化学反应速率”这一概念。

化学反应速率的定义

化学反应速率是衡量化学反应进行快慢程度的物理量。在实际测量中，通常用单位时间内某种反应物浓度的减少量，或某种生成物浓度的增加量来表示。

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

其中：

• $v$：化学反应速率，表示单位时间内浓度的变化量。
• $\Delta c$：浓度变化量，单位为 $\text{mol/L}$，取正值。
• $\Delta t$：时间间隔，单位为 $\text{s}$、$\text{min}$ 或 $\text{h}$。

需要特别注意的是，这里所说的浓度，指的是溶液中溶质的物质的量浓度，或气体的浓度。纯固体（如铁粉、碳）和纯液体（如水）的浓度视为常数，不随反应进行而改变，因此不用纯固体和纯液体来表示反应速率。

速率的单位

化学反应速率的单位由浓度单位和时间单位共同决定，写作“浓度单位 / 时间单位”，最常见的有以下几种：

例题 1

在某实验中，测定某反应中物质 A 的浓度随时间的变化数据如下：

求 $0 \sim 4\ \text{min}$ 内，A 的平均反应速率。

解题过程：

$\Delta c(\text{A}) = 2.00 - 1.28 = 0.72\ \text{mol/L}$

$\Delta t = 4 - 0 = 4\ \text{min}$

$v(\text{A}) = \dfrac{\Delta c}{\Delta t} = \dfrac{0.72\ \text{mol/L}}{4\ \text{min}} = 0.18\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

同一反应中不同物质的速率关系

一个化学反应中，各种物质的浓度同时发生变化。以下面这个反应为例：

$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3$

在某一时间段内测得三种物质的速率如下表：

可以发现，三种物质的速率之比恰好等于它们在化学方程式中化学计量数之比：

$v(\text{N}_2) : v(\text{H}_2) : v(\text{NH}_3) = 1 : 3 : 2$

这并非巧合，而是化学反应的普遍规律。对于任意反应：

$a\text{A} + b\text{B} \rightarrow c\text{C} + d\text{D}$

各物质反应速率之间满足：

$v(\text{A}) : v(\text{B}) : v(\text{C}) : v(\text{D}) = a : b : c : d$

或等价地写成：

$\dfrac{v(\text{A})}{a} = \dfrac{v(\text{B})}{b} = \dfrac{v(\text{C})}{c} = \dfrac{v(\text{D})}{d}$

例题 2

在一密闭容器中发生反应 $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{SO}_3$，测得 $\text{SO}_2$ 的反应速率为 ，求同一时段内 和 的反应速率。

解题过程：

根据化学计量数之比：$v(\text{SO}_2) : v(\text{O}_2) : v(\text{SO}_3) = 2 : 1 : 2$

$v(\text{O}_2) = \dfrac{1}{2} \times v(\text{SO}_2) = \dfrac{1}{2} \times 0.40 = 0.20\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

$v(\text{SO}_3) = v(\text{SO}_2) = 0.40\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

速率大小的比较

在比较不同反应或同一反应在不同条件下的速率时，数值大小的比较有一个容易出错的地方：不同物质的速率数值不能直接比较大小，只有换算成同一物质的速率后，才能进行比较。

例题 3

对于反应 $2\text{A} + \text{B} \rightarrow \text{C}$，在两组实验中测得以下数据：

请判断哪组实验反应速率更快。

速率的影响与变化规律

在实际反应过程中，随着反应物不断被消耗，浓度下降，反应速率往往会逐渐减慢。下面是某反应中产物 C 的浓度随时间变化的示意数据：

从数据可以看出，随着时间推移，每个相同时间段内浓度变化越来越小，平均速率持续下降。这说明：在其他条件不变的情况下，随着反应的进行，反应速率通常会逐渐降低。这一规律的内在原因，将在后续关于“影响反应速率的因素”中进一步解释。

练习题

选择题

第 1 题【知识点：速率的定义与计算】

在某反应中，$0 \sim 5\ \text{min}$ 内某反应物浓度从 $1.50\ \text{mol/L}$ 降低到 $0.50\ \text{mol/L}$，该反应物的平均反应速率为：

A. $0.10\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

B. $0.20\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

C. $0.30\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

D. $0.50\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

第 2 题【知识点：速率的单位与不适用情况】

下列说法正确的是：

A. 纯固体参与反应时，可以用固体浓度变化来表示反应速率

B. 化学反应速率可以是负值，表示浓度减少

C. 同一反应中，用不同物质表示的速率数值一定相同

D. 化学反应速率的单位可以是 $\text{mol/(L}\cdot\text{min)}$，也可以是 $\text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

第 3 题【知识点：速率之比与化学计量数之比】

对于反应 $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3$，若 $v(\text{H}_2) = 0.60\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$，则 为：

A. $0.20\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

B. $0.30\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

C. $0.40\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

D. $0.60\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

第 4 题【知识点：速率快慢的正确比较方法】

对于反应 $2\text{X} + \text{Y} \rightarrow 3\text{Z}$，甲组实验中 $v(\text{X}) = 0.60\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$，乙组实验中 $v(\text{Z}) = 0.75\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$，则：

A. 甲组反应速率更快

B. 乙组反应速率更快

C. 两组反应速率相同

D. 无法比较

计算题

第 5 题【知识点：综合计算反应速率与各物质速率关系】

在密闭容器中，发生反应：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

在 $0 \sim 10\ \text{s}$ 内，$\text{NO}$ 的浓度由 $0.80\ \text{mol/L}$ 降低到 $0.20\ \text{mol/L}$。

（1）求该时段内 $\text{NO}$ 的平均反应速率 $v(\text{NO})$。

（2）求同一时段内 $\text{O}_2$ 的平均反应速率 $v(\text{O}_2)$。

（3）求同一时段内 $\text{NO}_2$ 的平均反应速率 $v(\text{NO}_2)$。

第 6 题【知识点：从数据表计算平均速率并比较快慢】

在相同温度下，某反应在两组不同条件下进行，实验记录如下：

已知该反应方程式为 $\text{A} + 2\text{B} \rightarrow 3\text{P}$。

（1）分别计算甲、乙两组中 P 的平均反应速率。

（2）分别计算甲、乙两组中 A 的平均反应速率。

（3）判断哪组实验反应速率更快，并说明理由。

比较：$v(\text{X})_{\text{甲}} = 0.60\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)} > v(\text{X})_{\text{乙}} = 0.50\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

因此甲组反应速率更快，答案为 A。

（2）求 $v(\text{O}_2)$：

由 $v(\text{NO}) : v(\text{O}_2) = 2 : 1$，得

$v(\text{O}_2) = \dfrac{1}{2} \times 0.060 = 0.030\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

（3）求 $v(\text{NO}_2)$：

由 $v(\text{NO}) : v(\text{NO}_2) = 2 : 2 = 1 : 1$，得

$v(\text{NO}_2) = v(\text{NO}) = 0.060\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$

$v(\text{P})_{\text{乙}} = \dfrac{0.32}{4} = 0.08\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

（2）求 $v(\text{A})$：

由 $v(\text{A}) : v(\text{P}) = 1 : 3$，得

$v(\text{A})_{\text{甲}} = \dfrac{1}{3} \times 0.12 = 0.040\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

$v(\text{A})_{\text{乙}} = \dfrac{1}{3} \times 0.08 = 0.027\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

（3）比较快慢：

将两组换算为同一物质 A 的速率进行比较：

$v(\text{A})_{\text{甲}} = 0.040\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)} > v(\text{A})_{\text{乙}} = 0.027\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

因此，甲组反应速率更快。