高一化学知识点必修一：化学反应的速率
一、化学反应速率的概念与计算公式
在高一化学中，化学反应速率是一个非常重要的概念。它描述了化学反应进行的快慢程度，通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量（均取正值）来表示。具体来说，化学反应速率的计算公式为：
\[ \upsilon = \frac{\Delta C}{\Delta t} \]
其中：
- \( \upsilon \) 表示化学反应速率；
- \( \Delta C \) 表示浓度的变化量；
- \( \Delta t \) 表示时间的变化量。
这个公式的单位通常是摩尔每升秒（mol/(L·s)）或摩尔每升分（mol/(L·min)）。需要注意的是，当涉及到固体或纯液体时，由于它们的浓度基本不变，因此不适用于此公式。只有溶液和气体才有浓度变化的概念，因此这些物质的浓度变化可以用来计算化学反应速率。
此外，对于一个一般的化学反应方程式 \( mA + nB \rightarrow pC + qD \)，不同物质的化学反应速率之间存在一定的比例关系。例如，用A、B浓度的减少或C、D浓度的增加所表示的化学反应速率之间必然存在如下关系：
\[ V_A : V_B : V_C : V_D = m : n : p : q \]
这意味着，在相同的条件下，各物质的反应速率与其化学计量数成正比。这一规律在实际应用中非常重要，尤其是在工业生产和实验室研究中，能够帮助我们更准确地控制和预测反应过程。
二、影响化学反应速率的因素
化学反应速率不仅取决于反应本身的特点，还受到多种外界条件的影响。我们可以将这些因素分为内因和外因两大部分。
# 1. 内因：物质的结构和性质
决定化学反应速率的主要因素是参加反应的物质的结构和性质。这是最根本的因素，因为物质的分子结构、键能、活性等特性直接决定了其参与反应的能力。例如，活泼金属如钠、钾等与水反应极为剧烈，而惰性气体则几乎不与其他物质发生反应。
这是因为活泼金属的原子结构使其容易失去电子，而惰性气体的电子层结构非常稳定，难以发生化学变化。
# 2. 外因：外界条件对化学反应速率的影响
除了物质本身的性质外，外界条件也对化学反应速率有显著影响。以下是几个主要的外界因素：
## （1）温度
温度是影响化学反应速率的重要因素之一。一般来说，升高温度会加快反应速率。这是因为温度升高后，分子的热运动加剧，碰撞频率增加，同时活化分子的比例也提高，从而使得有效碰撞的机会增多。根据阿伦尼乌斯公式，反应速率常数 \( k \) 与温度 \( T \) 的关系为：
\[ k = A e^{-E_a / RT} \]
其中：
- \( A \) 是指前因子；
- \( E_a \) 是活化能；
- \( R \) 是理想气体常数；
- \( T \) 是绝对温度。
从公式可以看出，温度升高会使指数部分减小，从而使速率常数增大，进而加快反应速率。
## （2）催化剂
催化剂是能够改变反应速率但自身不参与反应终产物的物质。大多数情况下，催化剂能够降低反应的活化能，使更多的分子具备足够的能量进行有效碰撞，从而加快反应速率。常见的催化剂包括酶、金属氧化物等。例如，在汽车尾气处理中使用的铂催化剂，可以显著加快有害气体的转化，减少污染物排放。
## （3）浓度
增加反应物的浓度也会加快反应速率。这是因为浓度增加意味着单位体积内的分子数量增多，从而提高了碰撞的几率。对于溶液中的反应，可以通过加入更多的溶质来提高浓度；而对于气体反应，则可以通过增加压力或压缩气体体积来实现相同的效果。
## （4）压强
压强对化学反应速率的影响主要体现在有气体参与的反应中。增大压强会使气体分子之间的距离减小，碰撞频率增加，从而加快反应速率。然而，对于没有气体参与的反应，压强的变化对其速率几乎没有影响。
## （5）其他因素
除了上述主要因素外，还有一些其他因素也会影响化学反应速率。例如，光（射线）、固体的表面积（颗粒大小）、反应物的状态（溶剂）以及原电池等。例如，光照可以提供额外的能量，促使某些光敏反应的发生；固体的表面积越大，反应接触面越大，反应速率也越快；选择合适的溶剂可以使反应物更好地溶解，从而提高反应速率。
三、练习题解析
为了更好地理解和掌握化学反应速率的相关知识，下面通过几道练习题来进行进一步的巩固。
1. 决定化学反应速率的主要因素是()。
- A. 参加反应的物质的性质
- B. 加入催化剂
- C. 温度和压强
- D. 各反应物和生成物的浓度
答案：A
解析：化学反应速率的根本决定因素是参加反应的物质的结构和性质。虽然催化剂、温度和压强等因素可以显著影响反应速率，但它们只是外部条件，不是决定性因素。
2. 一定能使反应速率加快的因素是()。
①扩大容器的体积
②使用催化剂
③增加反应物的物质的量
④升高温度
⑤缩小体积
- A. ②③
- B. ②③④
- C. ②③④⑤
- D. ④
答案：D
解析：扩大容器的体积（①）会降低反应物浓度，反而减慢反应速率；增加反应物的物质的量（③）不一定能加快反应速率，因为如果容器体积不变，浓度不会变化；缩小体积（⑤）会增加压强，但对于无气体参与的反应效果不明显。因此，只有升高温度（④）和使用催化剂（②）是一定能够加快反应速率的因素。
3. 在一定条件下，将 \( A_2 \) 和 \( B_2 \) 两种气体通入1L密闭容器中，反应按下式进行：
\[ xA_2 + yB_2 \rightarrow 2C(气) \]
2s后反应速率如下：
- \( \upsilon_{A_2} = 0.5 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
- \( \upsilon_{B_2} = 1.5 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
- \( \upsilon_C = 1 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
则 \( x \) 和 \( y \) 的值分别为()。
- A. 2和3
- B. 3和2
- C. 3和1
- D. 1和3
答案：D
解析：根据反应速率之间的比例关系，我们有：
\[ \upsilon_{A_2} : \upsilon_{B_2} : \upsilon_C = x : y : 2 \]
将已知的速率代入，得到：
\[ 0.5 : 1.5 : 1 = x : y : 2 \]
由此可解得 \( x = 1 \) 和 \( y = 3 \)。
4. 在一密闭容器中充入一定量的 \( N_2 \) 和 \( H_2 \)，经测定反应开始后3s末，\( \upsilon(NH_3) = 0.3 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)，则3s末 \( NH_3 \) 的浓度为()。
- A. 0.45 mol/L
- B. 0.5 mol/L
- C. 0.6 mol/L
- D. 0.5 mol/L
答案：C
解析：根据速率定义，3s末 \( NH_3 \) 的浓度变化为：
\[ \Delta [NH_3] = \upsilon(NH_3) \times \Delta t = 0.3 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \times 3 \, \text{s} = 0.9 \, \text{mol}/\text{L} \]
因此，3s末 \( NH_3 \) 的浓度为0.9 mol/L。
5. 反应 \( N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3 \) 在2L密闭容器内反应，0.5min内 \( NH_3 \) 的物质的量增加了0.6mol，有关反应速率的说法中正确的是()。
- A. \( \upsilon(N_2) = 0.005 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
- B. \( \upsilon(H_2) = 0.02 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
- C. \( \upsilon(H_2) = v(N_2)/3 \)
- D. \( \upsilon(N_2) = 0.01 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \)
答案：A
解析：首先计算 \( NH_3 \) 的平均速率：
\[ \upsilon(NH_3) = \frac{0.6 \, \text{mol}}{2 \, \text{L} \times 30 \, \text{s}} = 0.01 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \]
根据反应速率之间的比例关系：
\[ \upsilon(N_2) : \upsilon(H_2) : \upsilon(NH_3) = 1 : 3 : 2 \]
因此：
\[ \upsilon(N_2) = \frac{1}{2} \times 0.01 \, \text{mol}/(\text{L·s}) = 0.005 \, \text{mol}/(\text{L·s}) \]
6. x、y、z三种气体进行下列反应：
\[ 3x + y \rightarrow 2z \]
在三种不同情况下测得速率值为：
- ① \( \upsilon_x = 1 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
- ② \( \upsilon_y = 0.5 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
- ③ \( \upsilon_z = 0.5 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
这三种情况下能正确表达该反应的速率的是()。
- A. ③ > ② > ①
- B. ② > ① > ③
- C. ① > ② > ③
- D. ③ > ① > ②
答案：B
解析：根据反应速率之间的比例关系：
\[ \upsilon_x : \upsilon_y : \upsilon_z = 3 : 1 : 2 \]
将已知速率代入比较：
- \( \upsilon_x = 1 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
- \( \upsilon_y = 0.5 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
- \( \upsilon_z = 0.5 \, \text{mol}/(\text{L·min}) \)
显然，② > ① > ③。
通过以上详细的讲解和练习题解析，相信同学们对化学反应速率的概念及其影响因素有了更深入的理解。在今后的学习中，希望大家能够灵活运用这些知识，解决更多复杂的化学问题。
