在我们的生活生产中,经常会应用到很多化学反应,而想要让这些化学反应真正为我们所用,其中很重要的一点就是控制化学反应进行的快慢。
那我们需要用怎样一个物理量来衡量化学反应进行的快慢呢?
这时我们就可以利用化学反应速率来衡量化学反应进行的快或慢。
如果要准确控制化学反应的速率,首先我们需要定量描述化学反应的速率,那么我们该如何描述化学反应的速率呢?
根据化学反应有新物质生成,类比我们在物理上对于速率的定义,我们猜测可以通过反应物或生成物的质量或物质的量在单位时间内的变化来表示化学反应的速率。
在一个化学反应的过程当中,首先需要先吸收能量,使得那些分子转化为拥有能量的活化分子,使得普通分子变为活化分子的这一部分能量的值就被称为活化能。而这一部分活化分子在通过有效碰撞转化为自由基。这些自由基在彼此结合生成新的物质同时释放能量。
那么是否所有活化分子都可以发生有效碰撞,变为自由原子呢?
并不是,活化只是使这个分子具有了可以发生有效碰撞变为自由原子的能量,而如果要想真正的发生有效碰撞,除了能量以外还需要考虑撞击时的方向,也就是取向问题。就在碰撞时取向正确的活化分子,才可以发生有效碰撞,变为自由原子。
我们发现在这样的一个化学反应的微观过程当中使得这个化学反应可以发生的主要有两步,第一步就是产生活化分子,而第二就是有效碰撞,在这其中有效碰撞更为重要。
所以我们猜测一个化学反应速率进行的快与慢就和在该化学反应中各分子进行有效碰撞的次数息息相关。
那么有效碰撞又和什么相关呢?
假设有两个体积不同的容器,但是在这两个容器中,他们当中的分子在吸收了能量之后都产生了相同物质的量的活化分子。
那么这两个容器当中的化学反应的速率一样吗?它们不同的分子之间的距离不同,所以它们所产生的有效碰撞的次数也是有所差异的。而产生这样差异的主要原因,就是因为对于两个容器而言,他们在单位体积内的活化分子数量不同,也就是说浓度不同。由此我们可以得出有效碰撞的次数多少与活化分子在单位体积内的多少相关,也就是和该分子的物质的量浓度相关。
物质的浓度不同会使得物质间发生有效碰撞的概率不同,也就导致物质之间发生有效碰撞的次数会不同,而这也就导致了反应速率的不同。也就是说物质浓度的不同,最终就会导致反应速率不同,那么物质浓度间对反应的速率如此重要,我们可否用单位时间内物质浓度的变化量来表示反应的速率呢?
确实可以,我们规定化学反应的速率就是等物质浓度在单位时间内的变化量。
那我们得出了这个新的计算化学反应速率的公式和我们最先猜想的两个公式有没有什么联系呢?我们最先提到的两个公式是否就是错的呢?
这些公式本质上都是相同的,在体积相同的情况下,这些公式都是可以相互转化的。但由于容器大小的影响、浓度与反应速率的直接关系,我们选择了使用单位时间内浓度的变化量来定义化学反应速率,而不是使用物质的量的变化量。
那么化学反应速率的快慢和什么因素有关呢?
我们猜想可能和接触面积,温度,催化剂以及反应物的浓度等因素有关。
根据我们的猜想,我们分别设置了4组对照实验。
我们发现的确化学反应速率和接触面积温度,催化剂以及反应物浓度都有关。在其他条件都不变的情况下,接触面积越大,化学反应速率越快,温度越高,化学反应速率越快,反应物的浓度越高,化学反应速率越快,加入催化剂也会使得化学反应速率变快或变慢。
那这是为什么呢?为什么这些因素会改变化学反应的速率呢?
根据前面对于化学反应过程的拆解,我们发现一个化学反应如果要发生,首先需要吸收能量使得分子从普通分子变为活化分子,而部分活化分子又会进行有效碰撞,产生自由基,结合生成新物质,同时释放能量。
接触面积以及反应物的浓度变多,可以提高化学反应中有效碰撞次数,温度增高则可以提高化学反应中活化分子的数量,而催化剂则可以直接改变化学反应中所需要的活化能。
经过这一系列的研究,我们已经定义了何为化学反应速率,并且从微观的角度理解了如何控制化学反应速率。如此在我们面对一个化学反应时,我们就可以很好的改变其化学反应速率来使得这个化学反应更好的为我们所用。