上次做了一次有关化学反应的知识点回顾，但也留下了很多需要展开的部分。点击回顾上期内容（ap化学知识点总结：intermolecular forces单元分析）本次分享将会带大家回顾ap化学知识点总结：Chemical Kinetics，即为化学反应的动力学，研究化学反应的速率。 

1 Reaction Rates（反应速率）

反应速率的定义是在一定的时间段里反应物的浓度发生的变化，单位是Molarity/second (M/s)。 比如，假设有这么一个化学反应在单位时间t内发生变化：A → B 我们计算反应速率的时候，就会用【反应结束的时间(t2)时B的浓度】减去【反应开始的时间(t1)时B的浓度】再除以【单位时间t】：

需要注意的是不同于物理中的“distance”。如果, 即使最终答案是负数，我们最终的答案也要是正数。 并且，计算reaction rate时还要注意stoichiometry。下面例子的小写字母代表常数，大写字母代表反应物／生成物：

那如何在不做计算的前提下，粗略预估一个化学反应的速率快慢呢？ 一个化学发应的快慢，主要受到以下几点因素的影响： 

1. 反应物的浓度（尤其是液体／气体）

2. 温度 

3. 催化剂的使用 

我们可以从微观粒子的角度来解释为什么这些因素会影响化学反应的速率。 A与B会发生化学反应的方式是通过粒子间的碰撞造成的formation of chemical bonds或是breakage of chemical bonds。粒子碰撞的速率越快，或是频率越频繁，就更可能形成或者拆开化学键的形成或破裂。 想象你有一个密封的容器，里面装了反应物A（蓝色）和反应物B（绿色）。

图1.

我们从这个例子来看，如果我们改变浓度／温度，反应速率会如何改变：

如果A的浓度增加，那么这个容器里的蓝色粒子会更多，和B发生collision的可能性会增加。

如果温度增高，那么粒子的活动速度就会更快（记得一开始讲到的吗？粒子是不会停在一个地方不动的），因此A和B发生collision的可能性会增加。

其他会影响到反应速率的包括但不限于反应物的态、反应物的表面积、化学反应处于的环境中压强、湿度等各种环境因素。

这些在AP考试的计算中可以忽略不计，但在明确强调了以上因素的选择题中建议大家还是把这几点列入分析反应速率快慢的考虑范围内。  

2 Rate Law

大致了解了反应速率是怎么回事后，我们来看看rate law。 还是以刚刚那个式子为例：aA  +bB →  cC + dD 那么根据rate law， 我们可以得到的是：Rate = k [A]m[B]n 其中A和B为aqueous态或者气态的反应物；k为一个受温度影响的常数（它代表反应速度的快慢）；m和n的总和则为reaction order。 Reaction Order大部分化学反应的reaction order 都是0，1或者2，代表着反应物的浓度对于反应速率的影响，由m+n的值表示。例如，Rate = k [A]的reaction order就是1; Rate = k [A][B]就是2了。 根据reaction order的不同，我们计算反应物浓度与时间的关系时使用的公式也不同，这一类公式为integrated rate law, 这里就不带大家推导了，直接提供给大家：

不过，很多时候AP并不会告诉我们reaction order是什么，需要我们自己去分析。 最明显的方法是画图：从三个公式我们可以看出来，三种反应的时间与反应物浓度关系分别可以用以下的图表示。

图2.

从左往右依次为0th, 1st 和2nd order. 注意slope的正负和y轴的不同。  除此之外，还可以用计算方法。 如果你知道反应物同一次化学反应中在不同时间下的浓度变化，那可以直接使用文章开头给大家介绍的反应速率来计算出不同时间下的反应速率，并把他们进行比较。如果每一次的速率都大致相等，那么你就知道它应该是0th order。 如果题目给出了多组实验数据，每组改变了反应物的浓度（M），并提供了每组的initial rates，那么你可以用这个式子来算出m或n： 

Rate 1，Rate 2 （反应速率）、反应物浓度（[A][B]）都是你已知的数字，等式右边分子和分母的k又会cancel out。在此基础上，实验数据会控制其中一个反应物浓度相同（比如B1可能等于B2），所以我们也不用考虑未知数n，最终会得到的就是：某常数=（某常数）m

然后就可以愉快的进行计算，得到m值了。 

【AP例题】下面这道例题选自2019年AP Chemistry Free Response。

【答案解析】

(a) 这次AP很善良地直接告诉我们是second order，只要我们根据反应物浓度和时间的关系解释为什么。 我们首先找到linear slope的那一张图（中间），然后对应到y轴上标志的1/[NO2], 即可说明反应为second order。可以参考前文图2给出的例子。 (b) 把我们知道的信息套入Rate Law的模版即可：Rate = k [A]m[B]n 首先我们从(a)小问中知道，这是个2nd order reaction，即m+n=2。同时化学式也告诉我们反应物只有NO2一个，那么最终的式子自然就是：Rate = k [NO2]2 

【官方答案】

(a) The linear graph of 1/[NO2] vs. time indicates a second-order reaction.(b) Rate = k [NO2]2 

3 Reaction Mechanism

一个化学反应可能包括不止一个步骤，比如，一个分子解体为两个或多个原子算一步；几个原子组到一起成为一个新分子组合又可以是一步。我们把一步到位的反应称为elementary reaction，多个步骤的则是multistep reactions。 大家或许听过那个木桶的比喻：把长短不一的木板捆在一起来组成一个水桶，那么这个水桶能够盛水的体积取决于最短的那块木板。

接下来要介绍的概念有一些类似：一个由多个步骤组合在一起的化学反应的反应速率就取决于速度最慢的那一步，即rate-determining step/rate-limiting step。 举个例子：

（例子截图于Brown et al., ‘Chemistry, the Central Science.’） 知道了这个反应的steps，怎么determine rate law呢？ 答案是根据慢的那一步来：Rate = k1 [NO2]2。 注意这里的rate constant (k) 使用了第一步的k1。第一步和第二步的NO3没有出现在最后的overall reaction中，是因为它作为第一步的product 已经在第二步作为reactant被用完了。我们把这一类的物质称为intermediate。 

【AP例题】来继续看刚刚例题之后跟的几个小问。
 

【答案解析】

(c)

看起来这个题目很长，但其实就是一个需要你写出解释的选择题。 我们先把在part (b) 中写出的rate law式子放在这里方便等下比较：Rate = k [NO2]2 (i)  很明显， 我们要找的是slow reaction, 即 rate -determining step。Mechanism I有两个NO2在化学式左侧， 完美对应了我们写出的式子。 (ii) 还是看fast/ slow，我们得出的答案应该是 Rate = k[N2O4]，所以乍一看有可能会有同学会提出Mechanism II 的rate law不符合。

但请注意的是，step 1 的product 和step 2  的reactant都是N2O4且stoichiometry都为1, 因此它其实是一个intermediate。 再加上step 1 这次是fast equilibrium，从左往右可以，从右往左也可以，因此在step 1 中products 和 reactants 是形成这个关系的：Keq[NO2]2 = [N2O4]。 这么换过来，我们可以发现，也可以把这个reaction写成Rate= k*Keq[NO2]2。所以对于Mechanism II，我们的答案也应该是“Yes”。 

【官方答案】

(i)

(ii)

尽管两题都只有一分，没有我们经常说的“锁定得分点”一说，但还是建议大家仿照官方答案的写法，先把“Yes”明确地写在前面，让判卷人一眼就看到你的判断，然后解释理由。

4 Catalysis

提到化学反应速率当然少不了要说说催化剂，也就是可以不参与反应本身，但可以加速反应速率的物质。 参考下面这张图：黑色代表化学反应里没有催化剂时所需要的Ea（Activation Energy），即反应物里的化学分子需要互相碰撞至产生这么多能量才能让化学反应发生；而红色则代表化学反应里没有催化剂时所需要的Ea，无疑比黑色曲线需要的能量少了很多。 换言之，催化剂会通过让化学反应发生的条件更容易，而加速反应的发生。

(图片来源：wikipedia) 

但注意，催化剂的存在只可能改变反应速率，产生的product量不会有任何改变。 我们现阶段最常见的是在两个aqueous态的反应物发生化学反应的时候，加入一个固体的催化剂，但当然不止于此。 （小小串个台：如果有也在准备AP生物的朋友在看这篇文章的话，酶(enzymes)就是一种催化剂，通过和一些反应物bind到一起来降低Ea, 才能保证诸如metabolism这样在我们身体中的生物化学反应正常进行。） 

总 结

建议大家在Rate Law和Rate Mechanism两个知识点上多多找例题、练练手感，这两个是必考的知识点！

而且，虽然考试时会提供公式，因此不用对背诵而感到紧张，但是记住了它们对于大家思考还是很有帮助，尤其是0th, 1st 和2nd rate order所对应的公式。 希望这次分享对大家有帮助，我们下期再见！ 扫码私聊小助手，讲明需求，免费领取相关资料！