【原】浓度 & 反应速率

本文发表于《高中数理化》（节选其中部分），也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界》中的一篇。

1. 为什么通常用浓度变化表示反应速率，而不是质量或物质的量？

一切知识皆是为生产、生活服务的。

事实上，表示反应速率的快慢既可用物质的量，也可用质量，还可以用气体的体积等。

而我们知道，化工生产反应总是在一定体积的反应器内发生的，我们不会在生产过程中突然停止一个化工反应过程去测定其速率，但可随时取样进行检测。

于是，通常采用单位时间内某种反应物浓度的减小或某种生成物浓度的增大表示反应速率。

由于所取样品跟反应器内的物料浓度是一致的，故用浓度变化表示反应速率，比较方便于样品与反应器内物质变化量之间的换算。

至于规定反应速率总要为正值（反应物浓度的减小或产物浓度的增大），这只是一种历史习惯而已。

2. 从微观层面看，浓度是如何影响反应速率的？

反应速率理论有很多，碰撞理论是其中一种。

反应速率碰撞理论的基本假设是：

反应物分子之间必须通过发生“有效碰撞”才能发生反应，而只有能量较高（运动速率较快）的分子之间才能发生有效碰撞，这样的分子叫“活化分子”。

依据反应速率的概念可知，反应速率快意味着单位时间、单位体积内发生的有效碰撞次数多。

而这“单位时间、单位体积内的有效碰撞次数”则跟单位体积内的活化分子数成正比例。

所以，从微观层面看，决定反应速率的根本因素，就是单位体积内的活化分子数多少。

浓度对单位体积内活化分子数的影响，可图示如下：

从图示可以看出，增大反应物的浓度，其实就是在不改变分子本身能量（不改变活化分子百分数）的情况下，通过增大分子总数，使单位体积内的活化分子数增加，进而使单位时间、单位体积内的有效碰撞次数增加，提高反应速率。

3．为什么说压强的改变归根到底是引起反应物浓度的变化？

对于气体参与的反应来说，其它条件不变的情况下，增大反应器的压强会导致容器体积的减小，各种反应物的浓度随之增大。

故增大气体反应体系的压强，也可以使反应速率加快。

请参考下图：

由于压强对液体与固体的体积影响极小，故压强对没有气体参与的反应速率影响可忽略不计。

如果改变压强并没有引起反应器体积的改变，各反应物浓度没有因此发生变化，那么就不会导致反应速率的变化。

下图所示的两个容器容积相同，在温度相同的情况下，虽然右侧容器内因加入惰性的N₂使得容器内压强增大，但反应速率不会比左侧容器大，因为反应物SO₂和H₂S的浓度没有因惰性的N₂的加入而发生变化。

有些特别细心的同学指出：N₂的确不可能使反应速率加快，但是否存在N₂“横在”SO_2与H₂S分子中间、阻碍二者碰撞，导致反应速率下降的情况呢？

的确可能有此情况发生。只是由于气体分子间距离相对较大，这种情况出现的概率较小，我们一般不去考虑罢了。

4. 反应速率与反应物浓度间是否存在定量关系？

科学家经过长期的研究发现，对于一步即可实现的反应（这种反应称为“基元反应”）来说，反应物浓度与反应速率之间确实存在定量关系。

对于基元反应：aA + bB = gG + hH，有如下关系：v = kc(A)^a c(B)^b

上式称为“反应速率方程”，其中k叫“速率常数”，k不随浓度变化，但跟温度有关；a 和 b 之和称为这个基元反应的“反应级数”，表示需要有a个A的分子和b个B的分子同时发生碰撞才能发生该反应。

可以设想，二级反应（双分子碰撞）较多，三级及以上的基元反应极少，因为三个或更多个指定种类的分子同时按规定的取向发生碰撞的概率毕竟太小了。

值得注意的是，一个反应是否基元反应，不是通过观察化学方程式就能够断定的，需要通过实验具体测定。对于该问题感兴趣的同学，可以深入进行课外学习。