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反应速率是化学反应进行快慢的量度,定义为单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。数学表达式为v等于负的浓度变化量除以时间变化量。单位通常为摩尔每升每秒。图中红色曲线表示反应物浓度随时间递减,蓝色曲线表示生成物浓度随时间增加,绿色切线的斜率就是某时刻的瞬时反应速率。
浓度是影响反应速率的重要因素。根据碰撞理论,反应物分子必须发生有效碰撞才能反应。当浓度增加时,单位体积内分子数增多,碰撞频率提高,反应速率随之增大。速率方程表明反应速率与反应物浓度成正比关系。例如当反应物A的浓度从0.1摩尔每升增加到0.2摩尔每升时,反应速率会增加一倍。图中显示了浓度与反应速率的线性关系。
温度是影响反应速率的关键因素。根据分子运动论,温度升高使分子运动加剧,增加了有效碰撞的频率和能量。阿伦尼乌斯方程描述了反应速率常数与温度的指数关系,其中Ea表示活化能。经验规律表明,温度每升高10摄氏度,反应速率大约增加2到4倍。图中指数曲线清楚地展示了温度与反应速率的非线性关系,温度越高反应速率增长越快。
催化剂是能够改变反应速率但自身不被消耗的物质。催化剂的作用机理是降低反应的活化能,为反应提供新的路径。催化剂分为均相催化剂和多相催化剂两类。催化剂的重要特点是不改变反应热,不影响化学平衡位置,但具有选择性。图中能量图清楚地显示了催化剂如何降低活化能,蓝色曲线代表有催化剂的反应路径,红色曲线代表无催化剂的反应路径。
除了浓度、温度和催化剂外,压强和接触面积也是重要的影响因素。对于气体反应,增加压强相当于增加反应物浓度,从而提高反应速率。对于涉及固体的反应,增大接触面积可以显著提高反应速率,这就是为什么要将固体反应物粉碎成细粉的原因。在工业生产中,常常利用高压条件和增大接触面积来控制和优化反应速率。