大学化学, 2019, 34(8): 76-80 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905054

科普

无处不在的化学——化学动力学

黄雁翀, 骆睿昊, 崔世勇, 方思敏, 吴红, 李玲玲, 王钰熙, 朱平平, 邵伟,

Ubiquitous Chemistry: Chemical Dynamics

HUANG Yanchong, LUO Ruihao, CUI Shiyong, FANG Simin, WU Hong, LI Lingling, WANG Yuxi, ZHU Pingping, SHAO Wei,

通讯作者: 邵伟, Email: weishao@ustc.edu.cn

收稿日期: 2019-05-20   接受日期: 2019-06-14  

基金资助: 中国科学院2018年度科普项目.  2018D0038
中国科学院2019年度科普项目.  KP57

Received: 2019-05-20   Accepted: 2019-06-14  

Fund supported: 中国科学院2018年度科普项目.  2018D0038
中国科学院2019年度科普项目.  KP57

摘要

从如何灭火的例子出发,说明化学动力学是怎样在我们生活中发挥作用的。介绍了什么是化学动力学及荷兰化学家范特霍夫对于化学动力学的贡献。以赛马的比喻说明反应物的量、能量、催化剂等因素是如何影响化学反应速率的。

关键词: 科普 ; 化学动力学 ; 无处不在的化学

Abstract

Starting from an example of how to extinguish a fire, this article illustrates how chemical dynamics plays a role in our life. It also introduces what is chemical dynamics and the contribution of Dutch chemist Jacobus H. van't Hoff to chemical dynamics. The horse racing analogy is used to illustrate how the amount of reactants, energy, catalysts and other factors affect the chemical reaction rate.

Keywords: Science popularization ; Chemical dynamics ; Ubiquitous chemistry

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本文引用格式

黄雁翀, 骆睿昊, 崔世勇, 方思敏, 吴红, 李玲玲, 王钰熙, 朱平平, 邵伟. 无处不在的化学——化学动力学. 大学化学[J], 2019, 34(8): 76-80 doi:10.3866/PKU.DXHX201905054

HUANG Yanchong. Ubiquitous Chemistry: Chemical Dynamics. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 76-80 doi:10.3866/PKU.DXHX201905054

小的时候,爸爸妈妈经常告诫我不要玩火。有一次我偷偷在家玩火柴,不小心把家里的被子点着了,还好我机灵,立刻去接了一杯水倒在被子上,火灭了,没有造成更大的伤害。

你有过类似的经历吗?那你有没有想过,水为什么能灭火呢?

我们知道,炭在空气中燃烧会生成二氧化碳,这是一种化学反应:

当我们往快要熄灭的炉子里加木柴或煤炭时,火会烧得更旺,这是因为增加了碳;风会使火灾加剧,这是因为带来了新鲜的氧气。在化学反应中,任何一种反应物过量,都会使反应加快[1]

我们知道了怎么加快反应,那么反过来,如何减慢反应以达到灭火的效果呢?答案是减少反应物的量。上面提到的往被子上倒水的行为,正是为了把被子和氧气隔绝开,这样,与被子接触的氧气大大减少,很快被消耗完全,从而火被熄灭。但如果是油燃烧形成的火,就不能用这种方法。因为油比水轻,会浮在水面上,结果与油接触的氧气没有减少,火就不能被熄灭。这时沙子可以用来灭火。

在面对森林火灾时,消防员们有时候将一片树木砍伐掉移开或者挖出一条沟壑来设置隔离带(图1)。当火燃烧过来时,因接触不到可燃烧的树木而熄灭。换句话说,减少反应物可以减慢反应,从而达到灭火的作用。实践联系理论,那么,这些生活现象中蕴含了哪些深奥的理论呢?

图1

图1   消防员在设置隔离带灭火


1 范特霍夫与化学动力学

关于化学反应快慢的研究叫做化学动力学。一百多年前,荷兰化学家范特霍夫(Jacobus H. van’t Hoff) (图2)对化学动力学进行了细致的研究和反复的观察、思考,最终出版了《化学动力学研究》这本著作。他因为化学动力学和溶液渗透压的独创性研究,获得了1901年的第一届诺贝尔奖[2]

图2

图2   范特霍夫和著名的van’t Hoff方程[2]


既然化学动力学是研究反应速率的科学,那么什么是反应速率呢?它又会受到哪些因素的影响呢?

反应速率的定义为:单位时间、单位体积中反应物的减少或产物增加的摩尔数变化率。

对于一个普通的化学反应来说,可用下列反应方程式来表示:

其中,A和B表示反应物,G和H表示生成物,αβ……指化学计量数,表示反应物或产物的份数。

则反应速率v用式(1)表示,如下:

$v = kC_{\rm{A}}^\alpha \cdot C_{\rm{B}}^\beta $

从式(1)我们可以看出,反应速率v与反应物A和B的浓度CACB,以及速率常数k都有关系。速率常数k反映了温度、反应性质对反应速率的影响。范特霍夫从热力学出发,推导出反应速率常数与温度关系的经验规则,如式(2)所示:

$\ln k = A - B/T$

阿伦尼乌斯在此启发下得到了指数定律,如式(3)所示:

$\ln k = - \frac{{{E_{\rm{a}}}}}{{RT}} + B$

其中Ea为反应活化能,R为气体常数,T为温度。虽然公式看起来有点复杂,但是一般来说,随着温度T的升高,速率常数k会变大;不管是速率常数的增加,还是反应物浓度的增加,都会导致反应速度变快。

化学动力学跟我们的生活息息相关。仔细看我们买回家的药品上面,是不是都有一个有效期?过了有效期再使用,可能不仅无法治好我们的病,还会危害到我们的健康(图3)。这是因为,在有效期内,虽然药品也在不断地反应降解,却始终在安全使用的范围内。药品盒上写的储存的方式,如在避光、阴凉或者干燥处储存,也是为了减小它们的反应速率,使药品不会这么快失效。

图3

图3   观察药品的有效期


2 化学反应是一次赛马

2.1 反应物的影响

化学动力学的反应速率跟我们平时说的速率很像,中学物理中速率可表示在一段时间内走过的路程,而在化学动力学中它是表示在一段时间内反应的化合物的数量。

通过前面的介绍,我们知道反应物的多少会对反应的速率产生影响。在这里,我们可以把一个化学反应比作一次赛马(图4),反应物就是小马,一匹小马到达终点时说明这个反应物完成了反应。

图4

图4   赛马过程


但因为道路并没有这么宽,而我们有很多小马,所以小马并不是一起出发的,而是会一批接一批地到达终点。当我们增加反应物时,小马增多了,同时出发的小马也增多了,所以在相同的时间里到达终点的小马也变多了。这时想一想我们对反应速率的定义,相同时间内到达终点的反应物增多了是不是就意味着反应速率变快了呢?

但有的小马因为力气不够,所以跑到一半就没了体力,无法到达终点,就只能灰溜溜地回到起点重新开始赛程。

2.2 能量的影响

大家有没有注意到,平时妈妈做饭或者炒菜的时候,如果炉子的火比较小,饭菜就会熟的比较慢;如果用大火炒菜,菜很快就熟了。我们没有改变反应物的量,但是反应速率却变快了,为什么呢?这是因为我们给这个反应提供了能量,而能量就对应于反应温度。

那提供能量有什么用呢?我们都听过一句话,叫做“要叫马儿跑,得叫马儿多吃草(图5)”。提供能量的过程,就是给小马喂草的过程,小马吃了草,就有体力了,就不会在途中停下,所以在一段时间内到达终点的小马也就变多,反应速率也就随之变快。

图5

图5   吃草的小马


2.3 神奇的催化剂

除此之外,催化剂也是影响化学反应的重要因素。当在一个反应中加入了催化剂,就好比在赛道上开出了一条捷径。马儿通过走捷径到达终点,走的路程少了,消耗的体力就少了,所以原本跑不到终点的马儿也能通过走捷径到达终点。这样一来,相同时间内到达终点的马儿便大大增加,反应速率也就变快了。

催化剂虽然很神奇但并不是什么很神秘的东西,在我们平时的生活中也很常见。酶,就是生活中常见的一种催化剂,在我们的口水中就含有丰富的唾液淀粉酶,它能帮助我们把吃进去的淀粉(比如米饭和玉米)在嘴里进行初步的分解,帮助我们更好地吸收(图6)。

图6

图6   淀粉的水解


3 结语

化学动力学与我们的生活息息相关,它并不神秘,但需要我们用更细致的视角和更灵敏的思维去观察生活中的方方面面。细心观察与大胆思考是探索科学之路的必要条件哦,在生活中,还有哪些例子和化学动力学相关呢?试试自己去发现吧!

参考文献

马向于. 诺贝尔化学奖获得者传奇故事, 郑州: 河南人民出版社, 2016, 3- 8.

[本文引用: 1]

van't Hoff, J. H.[2019-06-10]. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1901/hoff/facts/.

[本文引用: 2]

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