影响化学反应速率的因素有哪些:分清内外两类条件
影响化学反应速率的因素有哪些,分为内因和外因,内因是反应物本身性质,决定反应速率基础上限;外因包含浓度、温度、压强、催化剂、固体表面积,另外光照、搅拌、超声波也会产生一定影响。内因无法人为改变,你调整反应速度只能操作外因,不同外因适用场景有明确区分,压强仅对有气体参与的反应起效,固体纯物质浓度视为定值,改变固体用量不会改变速率,中学化学课程标准(2017年版2020年修订)对该知识点的考查,限定在溶液、气体体系的基础判断,不涉及复杂反应动力学方程。升高温度普遍加快反应,催化剂只改变速率,不会影响最终生成物总量。
影响化学反应速率的内因
反应物自身的化学性质,是决定化学反应速率最根本的条件。两种物质能不能快速发生反应,优先看物质本身结构,比如金属钾和冷水反应剧烈,金属铁和冷水几乎不反应,这不是外界条件造成,是金属本身失电子能力差异。同一类物质,化学键键能高低也会带来速率差别,键能越大,化学键断裂需要消耗更多能量,反应进行会偏慢。内因属于物质固有属性,常规实验条件下,你无法通过操作改变反应物本身性质来调整速率。
内因定上限。
影响化学反应速率的外因
浓度改变影响反应速率的原理是提升单位体积内粒子数量,粒子碰撞概率上升,有效碰撞次数增多,反应速度加快。该规则只适用于气体或者溶液中的溶质,纯固体、纯液体的浓度固定不变,单纯增加块状固体的质量,不会提升反应速率,只有把固体粉碎,扩大接触面积,才能起到加速效果。稀释溶液会降低溶质浓度,化学反应速率随之下降,比如稀盐酸和碳酸钙反应,加水稀释盐酸后,气泡冒出速度明显变慢。
温度升高,体系内粒子平均动能变大,更多粒子能量达到反应所需的最低能量,有效碰撞占比提高,化学反应速率加快。温度下降则会降低粒子动能,反应变慢,多数常温下缓慢进行的反应,加热后速率会出现明显提升。温度对吸热、放热反应都有加速作用,不会因为反应放热就出现相反效果,温度变化不会改变反应最终能够生成多少产物,只会改变反应完成花费的时间。
压强条件产生作用的前提是体系内含有气体物质,压强变化本质是改变气体浓度。压缩容器体积,气体浓度变大,粒子碰撞机会增加,反应速率加快;扩大容器体积,气体浓度降低,速率下降。如果反应体系内只有固体、液体,没有气体参与,调整容器压强,不会对化学反应速率产生明显作用。向恒容容器中充入不参与反应的惰性气体,总压强上升,但反应物气体浓度不变,反应速率保持不变。
催化剂可以降低化学反应发生需要的最低能量,让更多普通粒子就能完成有效碰撞,在不消耗大量能量的前提下加快反应。催化剂参与反应中间过程,但反应结束之后,催化剂本身的质量与化学性质不会发生变化。催化剂存在选择性,一种催化剂只能对特定反应起到作用,不能催化所有化学反应,部分催化剂还会存在催化中毒现象,混入少量杂质就会失去催化效果。
| 外界条件 | 加速操作 | 适用体系 | 核心限制 |
|---|---|---|---|
| 浓度 | 提高溶液溶质浓度、增大气体浓度 | 溶液、气体 | 固体、纯液体浓度固定 |
| 温度 | 加热升温 | 全部反应体系 | 温度过高可能造成反应物分解 |
| 压强 | 压缩体积增大压强 | 含气体参与的反应 | 无气体体系压强无效果 |
| 固体表面积 | 研磨粉碎固体 | 固体参与的反应 | 粉末过细可能出现团聚 |
| 催化剂 | 加入对应催化剂 | 存在适配催化剂的反应 | 催化剂有专一性 |
固体表面积、光照、搅拌属于次要外部因素。块状固体研磨成粉末,接触反应物的面积变大,反应速率上升,块状碳酸钙和盐酸反应,气泡产生速度远慢于碳酸钙粉末。光照可以为部分反应提供能量,像次氯酸分解、氯气和甲烷的取代反应,在黑暗环境下反应很难进行,光照条件下反应快速发生。搅拌可以让溶液或者固液混合物内物质分布均匀,减少局部浓度差异,加快粒子接触,提升反应速率,搅拌不会改变物质本身能量。
判断外界因素是否起效,优先确认反应体系类型。固体和固体的反应,浓度、压强几乎不起作用,优先通过研磨、升温调整速率;气体之间的反应,浓度、温度、压强、催化剂都可以用来调控;溶液中的离子反应,温度、浓度是主要调控手段,压强基本没有影响。恒压容器充入惰性气体,气体体积变大,反应物浓度下降,反应速率会降低,这个场景很容易出现判断错误,很多人会混淆恒压和恒容两种容器条件,误判惰性气体带来的速率变化。
