冰箱为什么能保鲜？
食物放在冰箱里，变质得慢；煤块在空气中慢慢燃烧，煤粉弥漫在矿井里却可能爆炸；过氧化氢溶液加入二氧化锰后，立即冒出大量气泡（1.7.2 节）。同一个反应，条件不同，快慢可以差得很远。
影响反应速率的因素
反应速率首先取决于反应物本身的性质（内因）：钠和冷水剧烈反应，镁和冷水几乎不反应。对于同一个反应，下面这些外界条件（外因）会影响速率：
- 浓度： 其他条件相同时，增大反应物的浓度，反应速率加快。
- 压强： 对于有气体参加的反应，压缩体积使压强增大，相当于增大了气体的浓度，反应速率加快。对只有固体、液体参加的反应，压强几乎没有影响。
- 温度： 升高温度，反应速率加快。经验规律是：温度每升高 10 °C，许多反应的速率增大到原来的 2～4 倍。
- 催化剂： 催化剂能显著加快反应。生物体内的酶就是高效的催化剂。
- 接触面积： 固体颗粒越小，与其他反应物的接触面积越大，反应越快。光照、搅拌、超声波等也会影响某些反应的速率。
用碰撞理论解释
反应的快慢取决于单位时间内有效碰撞的次数，而有效碰撞次数又和单位体积内活化分子的数目有关：
| 条件改变 | 单位体积内活化分子数 | 活化分子百分数 | 有效碰撞次数 | 反应速率 |
|---|---|---|---|---|
| 增大浓度 | 增多 | 不变 | 增多 | 加快 |
| 增大压强（压缩体积） | 增多 | 不变 | 增多 | 加快 |
| 升高温度 | 增多 | 增大 | 增多 | 加快 |
| 使用催化剂 | 增多 | 增大 | 增多 | 加快 |
- 增大浓度，单位体积内的分子多了，活化分子也按比例增多，但活化分子所占的百分数不变。
- 升高温度，分子的平均能量升高，原来能量不够的分子有一部分变成了活化分子，活化分子的百分数增大；分子运动加快，碰撞也更频繁。
- 催化剂改变了反应的途径，使反应的活化能降低，更多的分子成为活化分子。催化剂同等程度地加快正反应和逆反应。
比较两个温度下分子能量的分布：涂色部分是能量超过活化能的分子。升高温度，或者加入催化剂，看涂色部分怎样变：
示意：为了看清涂色部分，活化能取得比真实反应小得多；比例按分子能量的分布精确计算。
控制变量
研究某一个因素对速率的影响时，要让其他因素都保持相同，这叫控制变量。下面的实验用 Na₂S₂O₃ 溶液和稀硫酸反应：
生成的硫使溶液变浑浊。在烧杯下面的白纸上画一个“×”，从上往下看，记下“×”被挡住所用的时间，时间越短，反应越快。改变 Na₂S₂O₃ 的浓度或温度，每次只改一个，把结果记在表里：
| c(Na₂S₂O₃) | 温度 | “×”消失的时间 | 1/t × 1000 |
|---|
示意数据：按一个简单的模型算出（t 与 Na₂S₂O₃ 的浓度成反比，活化能约 50 kJ/mol），稀硫酸的浓度不变。
和美国教材的不同
- 美国教材通常列出五个因素：反应物的性质、浓度、温度、接触面积、催化剂。人教版还单列了压强，并用活化分子的数目和百分数逐条解释。
- 美国的经典实验也是这个“消失的 ×”（disappearing X）。人教版还用 H₂O₂ 分解比较 FeCl₃ 和 CuSO₄ 的催化效果，用酸性 KMnO₄ 溶液和草酸的反应比较褪色时间。
- AP 用碰撞模型解释：升高温度既增加碰撞次数，更重要的是增加了能量超过 Ea 的碰撞所占的比例。
例题 1：设计对照实验
用下面三组实验研究 Na₂S₂O₃ 与稀硫酸反应的速率：
| 实验 | c(Na₂S₂O₃) / (mol/L) | c(H₂SO₄) / (mol/L) | 温度 / °C |
|---|---|---|---|
| ① | 0.10 | 0.10 | 20 |
| ② | 0.20 | 0.10 | 20 |
| ③ | 0.10 | 0.10 | 40 |
（1）研究浓度的影响，应比较哪两组？（2）研究温度的影响呢？（3）预测哪一组最先看不见“×”。
-
为什么看“×”。 反应生成不溶于水的硫，溶液逐渐变浑浊，挡住烧杯下面纸上的“×”：
看不见“×”所用的时间越短，反应越快。
-
控制变量。 每次只改变一个条件，其他条件都相同，才能看出这个条件的影响。
-
浓度。 比较 ① 和 ②：只有 Na₂S₂O₃ 的浓度不同。
-
温度。 比较 ① 和 ③：只有温度不同。② 和 ③ 有两个条件不同，不能比较。
-
预测。 ② 的浓度加倍，速率大约加倍。③ 的温度高了 20 °C，是 2 个 10 °C；按每升高 10 °C 速率增大到 2～4 倍估算：
速率增大到 4～16 倍。所以 ③ 最快，最先看不见“×”。
-
常见错误。 按“20 °C 是 2 个 10 °C”算成 2 × 2～2 × 4 倍。每升高 10 °C 都要再乘一次，是连乘，不是相加。
例题 2：用碰撞理论解释
用碰撞理论解释：（1）煤粉比煤块燃烧得快；（2）过氧化氢溶液中加入少量二氧化锰后，分解大大加快。
- 碰撞理论的要点。 反应速率取决于单位时间内的有效碰撞次数，可以从两方面增加：碰撞的总次数变多，或者碰撞中“有效的”比例变大（活化分子变多）。
- 煤粉。 煤粉的颗粒小，与氧气的接触面积大得多，单位时间内能与 O₂ 分子碰撞的碳原子多，有效碰撞次数多，所以燃烧得快。这里活化能没有变，变的是碰撞的总次数。
- 二氧化锰。 MnO₂ 是催化剂，它改变了反应的途径，降低了活化能，使更多的 H₂O₂ 分子成为活化分子，有效碰撞的比例大大增加。
- 催化剂本身。 反应结束后，MnO₂ 的质量和化学性质都不变（1.7.2 节），但它参与了反应的过程。
- 对比。 增大接触面积、增大浓度，增加的是碰撞次数；升高温度、加催化剂，增加的是活化分子的比例（升温也会让碰撞更频繁一些）。
- 大理石与盐酸反应，把块状大理石换成粉末
接触面积增大。
- 锌与盐酸反应，用 1 mol/L 盐酸代替 0.1 mol/L 盐酸
H⁺ 的浓度增大。
- 把食物放进冰箱
温度降低，变质的反应变慢。
- H₂O₂ 分解时加入少量 MnO₂
MnO₂ 是催化剂，降低了活化能。
- 合成氨时，在容积不变的容器中充入氦气
容积不变，N₂、H₂ 的浓度都不变，速率不变。
- 合成氨时，压缩容器的体积
N₂、H₂ 的浓度增大。
- 锌与稀硫酸反应时，加入一些水
H⁺ 的浓度减小。
- 铁与盐酸反应时，加入少量 NaCl 固体
NaCl 不参加反应，H⁺ 的浓度不变，速率不变。
- Na₂S₂O₃ 与稀硫酸反应时，把烧杯放进热水里
温度升高，活化分子的百分数增大。
常见误区
误区 1：“增大浓度，活化分子的百分数增大。” 增大浓度只增加单位体积内活化分子的数目，百分数不变。升高温度和使用催化剂才能增大活化分子的百分数。
误区 2：“催化剂不参加反应。” 催化剂参与了反应的过程，改变了反应的途径；只是反应前后它的质量和化学性质不变。它同等程度地加快正反应和逆反应。
误区 3：“增大压强一定能加快反应。” 只有气体反应物的浓度真的增大时，速率才加快。容积不变时充入不参加反应的气体，总压增大了，各反应物的浓度却不变，速率不变。
即时小测
下列措施中，能增大活化分子百分数的是？
升高温度使一部分普通分子变成活化分子，百分数增大。增大浓度、压缩体积只增加单位体积内活化分子的数目，接触面积增大只是增加碰撞的机会。
某反应在 20 °C 时“×”消失需要 40 s。温度每升高 10 °C 速率约加倍，30 °C 时大约需要多少时间？
速率加倍，所需时间减半：40 s ÷ 2 = 20 s。
小结
- 增大浓度、增大气体的压强、升高温度、使用催化剂、增大固体的接触面积，都能加快反应。
- 增大浓度、压强：单位体积内活化分子数增多，百分数不变。升高温度、使用催化剂：活化分子百分数增大。
- 研究某个因素时要控制变量，每次只改变一个条件。
通往 AP（以后再看）
AP 5.1 要求说出影响速率的因素，并用实验数据比较速率。AP 5.5 用碰撞模型和分子能量的分布图解释温度的作用：升温使能量超过 Ea 的分子比例增大。AP 5.11 讲催化剂：它提供一条活化能更低的反应途径（新的反应机理），自身在反应前后不变。