影响反应速率的因素

把一块木头放在空气中，它会缓慢地被氧化，这个过程可能需要数十年。但把同样的木头点燃，它在几分钟内便会化为灰烬。两种情况下发生的都是氧化反应，结果却相差悬殊。原因不在于反应本身变了，而是外部条件发生了改变。化学反应速率并非一成不变，浓度、温度、压强和催化剂都能对它产生显著影响。

浓度对反应速率的影响

把一小块石灰石分别放入稀盐酸和浓盐酸中，会看到浓盐酸中气泡产生得明显更快。两次用的是同样的石灰石，酸的种类也相同，不同的只有盐酸的浓度。这说明浓度是影响反应速率的关键因素之一。

从微观角度来理解：溶液中的化学反应，依靠的是反应物粒子之间的相互碰撞。浓度越大，单位体积内的粒子数目越多，粒子之间发生碰撞的机会就越多，因此反应速率越快。

增大反应物浓度，单位体积内参与反应的粒子数增多，有效碰撞频率提高，反应速率加快；减小浓度则相反。

例题 1

在相同温度下，用 $\text{Zn}$ 粒分别与以下两种盐酸反应：

实验	盐酸浓度 / (mol/L)	产生 $\text{H}_2$ 的速率
甲	1.0	较慢
乙	2.0	较快

反应方程式为： $\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$

在 $0 \sim 3\ \text{min}$ 内，甲组测得 $\text{HCl}$ 浓度从 $1.00\ \text{mol/L}$ 降至 $0.70\ \text{mol/L}$ ，求 $v(\text{HCl})_{\text{甲}}$ 。

解题过程：

$\Delta c(\text{HCl}) = 1.00 - 0.70 = 0.30\ \text{mol/L}$

$v(\text{HCl})_{\text{甲}} = \dfrac{0.30}{3} = 0.10\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

$v(\text{HCl})_{\text{甲}} = 0.10\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

温度对反应速率的影响

食物在常温下放置几天会腐败变质，放入冰箱后却能保存更长时间。温度降低，使得食物中的化学反应（包括微生物的代谢反应）速率明显减慢，这就是冰箱能“保鲜”的化学原理。

温度影响反应速率的原因在于：温度升高时，反应物粒子的运动速度加快，粒子碰撞更加频繁，更重要的是，具有足够能量（能够引发反应的最低能量）的粒子比例大幅增加，使得有效碰撞次数显著上升，反应速率因此加快。

实验规律表明，对于大多数化学反应，温度每升高 $10\ \text{°C}$ ，反应速率大约增大为原来的 $2 \sim 4$ 倍。

温度是影响反应速率最灵敏的因素之一。升温不仅让粒子碰撞更频繁，更关键的是使“有效碰撞”的比例大幅增加，因此温度对速率的影响往往比浓度更为显著。

例题 2

某反应在 $20\ \text{°C}$ 时的速率为 $0.10\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$ 。若该反应温度每升高 $10\ \text{°C}$ ，速率增大为原来的 $2$ 倍，求该反应在 $50\ \text{°C}$ 时的速率。

解题过程：

从 $20\ \text{°C}$ 到 $50\ \text{°C}$ ，温度升高了 $30\ \text{°C}$ ，共升高了 $3$ 个“ $10\ \text{°C}$ ”的区间：

$v_{50} = v_{20} \times 2^3 = 0.10 \times 8 = 0.80\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

$v_{50} = 0.80\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

压强对反应速率的影响

压强的影响主要体现在有气体参与的反应中。将气体压缩，体积减小，相同物质的量的气体粒子被“挤”到更小的空间里，浓度随之增大，粒子之间的碰撞频率升高，反应速率加快。

这一过程本质上仍然是浓度的变化。压强增大 → 气体体积减小 → 气体浓度增大 → 反应速率加快。

$p \uparrow \Rightarrow V \downarrow \Rightarrow c \uparrow \Rightarrow v \uparrow$

压强只对有气体参与的反应有影响。对于只在溶液中进行的反应（无气体参与），改变压强不会改变溶液中各组分的浓度，反应速率基本不受影响。

例题 3

在密闭容器中，气态反应 $\text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g})$ 正在进行，若将容器体积压缩为原来的，分析速率如何变化。

分析过程：

体积缩小为 $\dfrac{1}{2}$ ，各气体物质的量不变，浓度均变为原来的 $2$ 倍：

$c' = \dfrac{n}{V/2} = 2 \times \dfrac{n}{V} = 2c$

浓度增大，粒子碰撞频率增加， $\text{N}_2$ 、 $\text{H}_2$ 、 $\text{NH}_3$ 的浓度同时增大，反应速率加快。

压缩体积后，各物质浓度增大为原来的 $2$ 倍，反应速率加快（正、逆反应速率均加快）。

催化剂对反应速率的影响

工业合成氨的反应，在理论上完全可以在常温下进行，但速率极其缓慢，几乎没有实用价值。加入铁触媒（铁催化剂）后，反应速率大幅提升，整个工业过程才得以实现。催化剂的作用，是在不改变反应物和生成物的前提下，显著改变反应速率。

催化剂能够加快反应速率，根本原因是它为反应提供了一条“能耗更低”的路径——降低了反应所需越过的最低能量门槛（称为活化能）。活化能越低，在同样温度下具有足够能量参与反应的粒子比例越大，速率越快。

催化剂在参与反应过程中会暂时与反应物结合，但在最终产物生成后会恢复原状。因此，催化剂在反应前后质量不变，化学性质不变，可以循环使用。

催化剂具有选择性，某种催化剂只对特定类型的反应有效，对其他反应可能毫无效果。例如，人体内的消化酶只能催化特定的生物分子分解，不能催化其他化学反应。

例题 4

在相同温度和浓度条件下， $\text{H}_2\text{O}_2$ 分解反应在两种条件下进行：

条件	现象	速率
不加催化剂	几乎无气泡，分解极慢	极慢
加入少量 $\text{MnO}_2$	大量气泡迅速产生	极快

反应方程式为： $2\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow$

说明 $\text{MnO}_2$ 在该反应中的作用，并说明反应前后 $\text{MnO}_2$ 的质量是否改变。

$\text{MnO}_2$ 是该反应的催化剂，能降低反应的活化能，大幅加快 $\text{H}_2\text{O}_2$ 的分解速率。反应前后 $\text{MnO}_2$ 的，它本身并未被消耗。

反应物本身性质的影响

在其他条件完全相同的情况下，将等量的钠（ $\text{Na}$ ）和铁（ $\text{Fe}$ ）分别放入等浓度的盐酸中，钠与盐酸反应极为剧烈，几乎瞬间完成；而铁与盐酸反应则较为缓慢，需要数分钟才能明显观察到气泡。两种金属的化学活泼性不同，决定了它们与相同酸发生反应时速率差异巨大。

这说明，反应物本身的化学性质是决定反应速率的内在因素，它决定了反应的“本底速率”，外部条件（浓度、温度、催化剂等）只能在此基础上加以调节。

各因素的综合比较

影响化学反应速率的因素可以从“内因”和“外因”两个角度来梳理：

增大压强对纯液相反应（溶液中无气体参与）的速率几乎没有影响。在做判断题或分析题时，一定要先确认体系中是否有气体参与，再判断压强的作用。

练习题

选择题

第 1 题【知识点：浓度对反应速率的影响】

将相同质量的锌粒分别加入以下四种溶液中，产生氢气速率最快的是：

A. $20\ \text{°C}$ ， $0.5\ \text{mol/L}$ 盐酸

B. $20\ \text{°C}$ ， $2.0\ \text{mol/L}$ 盐酸

C. $40\ \text{°C}$ ， $0.5\ \text{mol/L}$ 盐酸

D. $40\ \text{°C}$ ， $2.0\ \text{mol/L}$ 盐酸

答案：D

浓度越大、温度越高，反应速率越快。D 选项同时满足高浓度（ $2.0\ \text{mol/L}$ ）和高温（ $40\ \text{°C}$ ）两个条件，因此产生氢气速率最快。

第 2 题【知识点：压强影响速率的适用范围】

下列反应中，增大压强不能加快反应速率的是：

A. $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ （全为气体）

B. $\text{C} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{CO}_2$ （固体与气体）

C. $\text{NaCl}$ 溶液与 $\text{AgNO}_3$ 溶液反应（纯溶液体系）

D. $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ （全为气体）

答案：C

$\text{NaCl}$ 与 $\text{AgNO}_3$ 的反应在溶液中进行，体系中无气体参与。增大压强不改变溶液中离子浓度，因此对该反应速率基本无影响。A、B、D 均有气体参与，增大压强可增大气体浓度，从而加快速率。

第 3 题【知识点：催化剂的特点】

关于催化剂，下列说法正确的是：

A. 催化剂能加快反应速率，因此反应结束后催化剂的质量会减少

B. 催化剂可以加快所有化学反应的速率

C. 催化剂在反应前后质量和化学性质不变，可以降低反应的活化能

D. 催化剂只能加快反应速率，不能减慢反应速率

答案：C

A 错误：催化剂在反应前后质量不变，不会被消耗。 B 错误：催化剂具有选择性，只对特定反应有效。 C 正确：催化剂降低活化能，从而加快速率，且反应前后质量和化学性质不变。 D 错误：存在“负催化剂”（抑制剂），能减慢特定反应的速率，如橡胶防老化剂。

第 4 题【知识点：综合判断影响速率的因素】

在密闭容器中进行反应 $2\text{NO}(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(\text{g})$ ，下列操作中，一定能使反应速率加快的是：

A. 缩小容器体积

B. 降低温度

C. 将 $\text{NO}_2$ 从体系中移走

D. 向容器中充入等量的 $\text{N}_2$ （保持体积不变）

答案：A

A 正确：缩小体积，气体浓度增大，反应速率加快。 B 错误：降低温度，粒子运动减慢，有效碰撞减少，速率降低。 C 错误：移走 $\text{NO}_2$ ，生成物浓度降低，正反应速率不变，逆反应速率降低，不是“加快”。 D 错误：充入 $\text{N}_2$ 不参与反应，体积不变，则各反应物浓度不变，速率不变。

计算题

第 5 题【知识点：温度对速率的定量影响】

某工厂研究一个气相反应，测得在 $30\ \text{°C}$ 时反应速率为 $v_0 = 0.05\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$ 。已知该反应温度每升高 $10\ \text{°C}$ ，反应速率增大为原来的 $3$ 倍。

（1）求该反应在 $60\ \text{°C}$ 时的速率。

（2）若工厂希望将速率提高到 $1.35\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$ ，需要将温度升高到多少摄氏度？

（1）求 $60\ \text{°C}$ 时的速率：

从 $30\ \text{°C}$ 到 $60\ \text{°C}$ ，温度升高 $30\ \text{°C}$ ，共经历 $3$ 个“ $10\ \text{°C}$ ”区间：

第 6 题【知识点：浓度与速率的综合计算】

在 $25\ \text{°C}$ 下，将 $\text{Zn}$ 粒加入足量盐酸中，反应方程式为：

$\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$

实验记录如下：

时间段 / min	盐酸浓度变化 / (mol/L)
$0 \sim 2$	$1.20 \to 0.80$
$2 \sim 4$	$0.80 \to 0.52$
$4 \sim 6$

（1）分别计算三个时间段内 $\text{HCl}$ 的平均反应速率。

（2）根据计算结果，说明反应速率随时间的变化趋势及其原因。

（3）在 $0 \sim 2\ \text{min}$ 内，求 $\text{Zn}$ 的消耗速率 $v(\text{Zn})$ 。

（1）计算各时间段平均速率：

$v_1 = \dfrac{1.20 - 0.80}{2} = \dfrac{0.40}{2} = 0.20\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}$

v_{60} = v_{0} \times 3^{3} = 0.05 \times 27 = 1.35 mol/(L \cdot min)

v_{60} = v_0 \times 3^3 = 0.05 \times 27 = 1.35\ \text{mol/(L}\cdot\text{min)}

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