反应的快慢
两种无色溶液倒在一起，等一会儿，突然变成蓝黑。碘化钾越多，等得越短。
向下滚动
五杯同时倒好
五台磁力搅拌器上各放着一只 250 毫升的烧杯，每只里同时倒进 100 毫升溶液 A 和 100 毫升溶液 B。两种都是无色的，倒在一起还是无色。
A 里溶着碘化钾、硫代硫酸钠和淀粉，B 是稀过氧化氢和醋酸。五杯只有一处不同：A 里的碘化钾，从每升 50 克依次减到 10 克。
按本页的模型，在 20 °C，碘化钾最多的那杯过了 19.6 秒突然变成蓝黑；接着依次是 24.5 秒、32.7 秒和 49.1 秒；碘化钾最少的那杯，要等到 98.2 秒。英国皇家化学会给这份配方写的是：室温下大约 20 秒。
每升 50、40、30、20、10 克碘化钾 · 19.6、24.5、32.7、49.1、98.2 秒变色（20 °C，本页模型）
看不出变化的时候
变色前的那 20 秒，反应并没有停。过氧化氢一直在把碘离子变成碘，按本页的模型，每升溶液里每秒生成碘约 0.49 毫摩尔。
碘一出现，就被硫代硫酸根变回碘离子。这一步快得多，所以溶液一直无色，碘离子的量也一直没有变。
到 19.6 秒，硫代硫酸根用完了。再生成的碘留了下来，大多和碘离子结合成 I₃⁻，钻进淀粉的螺旋里，显出蓝黑色。零点几秒之内，碘就多到足以显色，所以看起来是一下子变的。这时过氧化氢只用掉了约 2%。
H₂O₂ + 2I⁻ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O（慢）· I₂ + 2S₂O₃²⁻ → 2I⁻ + S₄O₆²⁻（快）· 19.6 秒时硫代硫酸根用完
碘化钾减半
这一步的速率跟碘离子的浓度成正比，也跟过氧化氢的浓度成正比：速率 = k[H₂O₂][I⁻]。碘化钾减半，碘生成得慢一半，吃完同样多的硫代硫酸根，就要等两倍的时间。本页的五杯里，每升 40 克要 24.5 秒，20 克要 49.1 秒。
英国皇家化学会的一个实验视频改的是过氧化氢。五个烧瓶里的过氧化氢一瓶比一瓶少，测得的变色时间是 15、20、25、32 和 46 秒；过氧化氢减到一半时，等待从 15 秒变成了 32 秒。
不是每个反应都这样。如果速率跟某种物质的浓度无关（零级），它减半，速率不变；如果跟浓度的平方成正比（二级），速率只剩四分之一。级数要靠实验测，不能从配平的方程式读出。
速率 = k[H₂O₂][I⁻] · 碘化钾减半，等待约加倍 · 实测：过氧化氢 30 毫升 15 秒，15 毫升 32 秒
碰撞和门槛
分子要反应，先得碰上。水里的分子本来就不停地乱撞（见“布朗运动”一页）。按扩散的快慢估算，这杯溶液里一个碘离子每秒和过氧化氢分子相遇约 30 亿次，平均却要约 5 分钟才真正反应一次。这只是数量级。
绝大多数相遇白白分开，因为撞得不够猛。能量要超过一道门槛，旧的键才会断，这道门槛叫活化能。这一步的门槛有 56 kJ/mol 高，20 °C 时，能量越得过它的分子只占约百亿分之一。
能量够了，方向也要对：撞到的部位不对，照样弹开。
每个碘离子每秒相遇约 3 × 10⁹ 次 · 约 5 分钟反应一次 · 能量超过 56 kJ/mol的约 1 × 10⁻¹⁰（20 °C）
暖十度
同一份配方，温度不同，等待也不同。按本页的模型：10 °C 时等 44 秒，20 °C 时等 19.6 秒，30 °C 时只等 9.2 秒，到了 40 °C，只等 4.5 秒。
温度高，分子撞得更猛，能量超过门槛的那一小部分就多了：从 20 °C 到 30 °C，这部分变成约 2.1 倍，反应也快约 2.1 倍。这是用阿伦尼乌斯公式 k = A·exp(−Ea/RT) 算的，Ea 取 56 kJ/mol。
常听说的“温度升 10 °C，速率翻一倍”，只是许多反应在室温附近的粗略规律。活化能越高，升温加速得越多；从 20 °C 到 30 °C 正好翻倍，对应的活化能约 51 kJ/mol。
10 °C 44 秒 · 20 °C 19.6 秒 · 30 °C 9.2 秒 · 40 °C 4.5 秒（本页模型，Ea = 56 kJ/mol）
块和粉
架上两只烧瓶里是同样的稀盐酸，一只放大理石块，一只放大理石粉。两只都在冒二氧化碳，粉上的气泡又密又急。
酸只能碰到固体的表面。同样多的大理石，从 1 厘米的方块变成 0.1 毫米的小粒，表面积变成 100 倍。
快不等于多。英国皇家化学会的例子里，1 克大理石放进 100 毫升 1 摩尔每升的盐酸，块和粉最后放出的气一样多，按本页计算约 240 毫升；粉只是更早到头。
表面积只对固体参与的反应有用。那排烧杯里是两种溶液混在一起，没有表面可言。可燃的细粉飘在空气里会爆炸：2008 年美国一家糖厂的糖粉爆炸，死了 14 人。
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂ · 1 厘米块变成 0.1 毫米粉：表面积 × 100 · 1 克大理石最后都放出约 240 毫升 CO₂（20 °C）
用不完的黑粉
架上的锥形瓶里是过氧化氢，瓶底一撮黑色的二氧化锰。过氧化氢自己也会慢慢分解成水和氧气；有了二氧化锰，一下子冒出大量氧气。瓶里加过一点洗洁精，冒出的氧气吹起一瓶泡沫。
反应完，二氧化锰还在，可以滤出、干燥、称重收回。催化剂给反应换了一条门槛更低的路：二氧化锰是在自己的表面上做到的，门槛降到多少，没有找到可靠的测量。测过的是另一种催化剂——碘离子：没有催化剂时，过氧化氢分解的门槛约 75 kJ/mol，有碘离子时约 56 kJ/mol。这个 56 就是碘钟里的那一步：两种反应都从碘离子碰上过氧化氢开始。
生物也有催化剂。土豆泥里的过氧化氢酶同样能分解过氧化氢，土豆片就慢得多。在测过的 16 种过氧化氢酶里，一个酶分子每秒能分解的过氧化氢分子，从 5.4 万到 83.3 万个不等。
催化剂把逆反应也加快同样多，所以不改变反应最后能走多远，见“冷了变淡，热了变深”一页；工厂怎样用铁和五氧化二钒做催化剂，见“从空气里取氮”和“从硫磺到硫酸”两页。
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ · 二氧化锰不被消耗 · 实测的是碘离子：没有催化剂约 75 kJ/mol，有碘离子约 56 kJ/mol
一只每秒一响的钟
1860 年代，Harcourt 和 Esson 测的就是这个反应：过氧化氢和氢碘酸。他们用硫代硫酸钠吃掉生成的碘，用淀粉指示，对着一只“每秒一响的钟”计时。他们的结论是：每一刻的变化量，跟还在变化的物质的量成正比。
范托夫在 1884 年出版了《化学动力学研究》，并得了 1901 年的第一届诺贝尔化学奖。同一时期的 1886 年，Landolt 发表了碘酸和亚硫酸的反应：加了淀粉的溶液先清亮几秒到几分钟，然后突然变成深蓝；条件不变，每次等的时间也不变。
1889 年，阿伦尼乌斯研究酸里蔗糖的转化，提出只有一小部分“活化”的分子会反应，温度一高这部分就多，今天的阿伦尼乌斯公式由此而来；不过他在 1903 年得的诺贝尔奖，奖的是电离理论。到 1895 年，Harcourt 和 Esson 又测了温度：他们的反应从 0 °C 到 10 °C 快了约 2.1 倍。
1866、1867 Harcourt 和 Esson · 1884 范托夫 · 1886 Landolt · 1889 阿伦尼乌斯 · 1901 第一届诺贝尔化学奖
台上和架上
台上：五台磁力搅拌器，各托着一只 250 毫升的低型烧杯，杯底一根 25 毫米的搅拌子；右边一只秒表，表盘 110 毫米。架上：一只 250 毫升锥形瓶，过氧化氢和二氧化锰；一只表面皿，二氧化锰和药匙；两只 100 毫升锥形瓶，稀盐酸里分别是大理石块和大理石粉。
搅拌器 · 烧杯 · 秒表 · 试剂架 · 过氧化氢 · 二氧化锰 · 大理石
定好配方，按下秒表
中间那只烧杯的配方由你定：碘化钾每升 10 到 50 克，硫代硫酸钠是原配方的一半到两倍，温度 10 到 40 °C。秒表从两种溶液倒在一起的那一刻走起，硫代硫酸根一用完，它就变成蓝黑。
这是本页的模型：只算那一步慢反应，速率常数和活化能取实测值，其余照英国皇家化学会的配方。硫代硫酸根加倍，要先吃掉的碘也加倍，等待也就差不多是原来的两倍。
本页的模型 · k = 0.0115 M⁻¹ s⁻¹（25 °C）· Ea = 56 kJ/mol
试一试实验台里把碘化钾减到一半：要等多久才变蓝？再把温度调高 10 °C 呢？
模型省略了什么
台上是本页的模型，不是哪一套实物的复制。烧杯按 DURAN 低型烧杯的 250 毫升规格（直径 70、高 95 毫米），锥形瓶按 DIN ISO 1773，秒表按一种 110 毫米表盘的停表画成。等待时间只按一步慢反应算，速率 = k[H₂O₂][I⁻]；k 和活化能用的是 Liebhafsky 和 Mohammad 在 1933 年的测量（经 Vitz 2007 年转引），在 10 到 40 °C 之间当作不变。在这个 pH 下，酸催化的那一项很小（约 0.3%），没有算；过氧化氢直接氧化硫代硫酸根的慢反应也没有算，有报道说它可能让碘化钾少的烧杯早变色一些，所以“减半就加倍”在模型里是准的，实际只是大约。浓度按体积相加、按理想溶液计算，pH 由醋酸缓冲按浓度算，没有做活度校正。20 体积的过氧化氢按 CLEAPSS 的换算取每升 1.66 摩尔。变色画成在 0.7 秒内完成，颜色的深浅、搅拌的漩涡、气泡和泡沫都是画出来的，不是算出来的。相遇的次数按扩散的快慢估算，只能估个数量级。
几个容易误会的地方
突然变色不是反应突然开始：碘从一开始就在生成，只是一出现就被硫代硫酸根吃掉。“升 10 °C 快一倍”只是粗略规律：这个反应快约 2.1 倍，别的反应可多可少。能量够的碰撞也不一定反应，方向也要对。表面积只影响有固体参与的反应，而且表面积大 100 倍不等于快 100 倍。催化剂不被用掉，但它同样加快逆反应，不改变最后的产量。演示用的过氧化氢比家用的 3% 浓得多：20 体积（5–8%）会刺激眼睛，8% 以上有腐蚀性；稀盐酸也可能伤眼睛和皮肤。
常见问题 · 5
- 碘钟反应为什么会突然变蓝？
到 19.6 秒，硫代硫酸根用完了。再生成的碘留了下来，大多和碘离子结合成 I₃⁻，钻进淀粉的螺旋里，显出蓝黑色。零点几秒之内，碘就多到足以显色，所以看起来是一下子变的。
02看不出变化的时候 ↑- 浓度减半，反应时间为什么加倍？
这一步的速率跟碘离子的浓度成正比，也跟过氧化氢的浓度成正比：速率 = k[H₂O₂][I⁻]。碘化钾减半，碘生成得慢一半，吃完同样多的硫代硫酸根，就要等两倍的时间。
03碘化钾减半 ↑- 为什么大多数分子碰撞不发生反应？
绝大多数相遇白白分开，因为撞得不够猛。能量要超过一道门槛，旧的键才会断，这道门槛叫活化能。
04碰撞和门槛 ↑- 温度升高 10 °C，反应速率一定翻倍吗？
常听说的“温度升 10 °C，速率翻一倍”，只是许多反应在室温附近的粗略规律。活化能越高，升温加速得越多；从 20 °C 到 30 °C 正好翻倍，对应的活化能约 51 kJ/mol。
05暖十度 ↑- 催化剂会被用掉吗？
反应完，二氧化锰还在，可以滤出、干燥、称重收回。催化剂给反应换了一条门槛更低的路：二氧化锰是在自己的表面上做到的，门槛降到多少，没有找到可靠的测量。
07用不完的黑粉 ↑
资料来源
- 英国皇家化学会 / Nuffield：Iodine clock reaction demonstration（配方；室温下约 20 秒变色；对 H₂O₂ 和 I⁻ 各一级；硫代硫酸根决定时间）
- 英国皇家化学会：Rates of reaction practical videos 16–18（五瓶不同的过氧化氢：15、20、25、32、46 秒）
- E. Vitz（2007）：J. Chem. Educ. 84，1156（引 Liebhafsky 和 Mohammad 1933：k = 0.69 M⁻¹ min⁻¹，Ea = 56 kJ/mol）
- H. MacKeown 等（2022）：Water Research 217，118417（H₂O₂ 与 I⁻：k = 0.011 M⁻¹ s⁻¹；I₃⁻ 的生成常数）
- OpenStax：Chemistry 2e，12.2（表面积只在不同的相之间起作用；升温 10 °C 速率约翻倍，只对许多反应）
- OpenStax：Chemistry 2e，12.3（速率方程；级数要靠实验测定）
- OpenStax：Chemistry 2e，12.5（碰撞理论：方向和能量；阿伦尼乌斯公式）
- OpenStax：Chemistry 2e，12.7 和 13.3（催化剂降低活化能、不被消耗、同样加快逆反应、不改变平衡）
- J. Gutow 编：Chem 370 Physical Chemistry（LibreTexts，6.1：溶液里扩散控制的速率常数）
- S. Pesek、R. Silaghi-Dumitrescu（2024）：Molecules 29，641（淀粉–碘的蓝色：直链淀粉螺旋里的多碘离子）
- D. Cheung（2007）：Education in Chemistry，Investigating activation energies（过氧化氢分解：无催化约 75、有碘离子约 56 kJ/mol）
- D. Fleming（2018）：Education in Chemistry，The genie in the bottle（二氧化锰可以滤出、干燥、称重收回）
- 英国皇家化学会：Hydrogen peroxide decomposition using different catalysts（泡沫涌出量筒；带火星的木条复燃）
- Practical Biology：catalase and hydrogen peroxide concentration（土豆泥里的过氧化氢酶；土豆片太慢）
- J. Switala、P. C. Loewen（2002）：Arch. Biochem. Biophys. 401，145（16 种过氧化氢酶每秒 5.4 万到 83.3 万次）
- 英国皇家化学会：Interpreting rate of reaction graphs（1 克大理石、100 毫升 1 摩尔每升盐酸；块和粉最后的气一样多）
- 美国职业安全与健康管理局：Combustible Dust（细粉可以爆炸；2008 年糖粉爆炸 14 人死亡）
- CLEAPSS：Student Safety Sheet 57（过氧化氢：5–8% 刺激眼睛，8% 以上有腐蚀性；“体积”浓度的定义）
- CLEAPSS：Student Safety Sheet 20（稀盐酸也可能伤眼睛和皮肤）
- A. G. Vernon Harcourt、W. Esson（1866、1867）：Phil. Trans. 156，193；157，117（过氧化氢和氢碘酸；硫代硫酸钠和淀粉；“每秒一响的钟”）
- A. G. Vernon Harcourt、W. Esson（1895）：Phil. Trans. A 186，817（Bakerian Lecture：温度与反应速率）
- H. Landolt（1886）：Berichte 19，1317（碘酸和亚硫酸反应的时间）
- S. Arrhenius（1889）：Z. phys. Chem. 4，226（酸里蔗糖转化的速率与温度；“活化”的蔗糖）
- NobelPrize.org：1901 年诺贝尔化学奖（范托夫，化学动力学定律和溶液渗透压）
- NobelPrize.org：1903 年诺贝尔化学奖（阿伦尼乌斯，电离理论）
- DWK：DURAN 低型烧杯（ISO 3819；250 毫升：直径 70、高 95 毫米）
- DWK：DURAN 窄口锥形瓶（DIN ISO 1773；250 毫升：85 × 145 毫米；100 毫升：64 × 105 毫米）
数据
The clock’s recipe, its chemistry and its timing after the Royal Society of Chemistry and the Nuffield Foundation (Practical Chemistry: Iodine clock reaction demonstration; Rates of reaction practical videos 16–18); the rate constant and activation energy of hydrogen peroxide with iodide after E. Vitz (J. Chem. Educ., 2007), quoting H. A. Liebhafsky and A. Mohammad (J. Am. Chem. Soc., 1933), and H. MacKeown and co-workers (Water Research, 2022); triiodide after the same review; rate laws, collision theory, the Arrhenius equation and catalysis after OpenStax Chemistry 2e; encounter rates after the LibreTexts physical chemistry text (J. Gutow, after S. Lower); the starch–iodine complex after S. Pesek and R. Silaghi-Dumitrescu (Molecules, 2024). The waits, the timeline, the shares over the barrier and the encounter counts are computed here. Catalysis after the Royal Society of Chemistry (Classic chemistry demonstrations; Education in Chemistry, D. Cheung 2007 and D. Fleming 2018), Practical Biology and J. Switala and P. C. Loewen (Arch. Biochem. Biophys., 2002); marble and acid after the RSC’s Interpreting rate of reaction graphs; dust after OSHA; safety after CLEAPSS Student Safety Sheets 20 and 57; history after A. G. Vernon Harcourt and W. Esson (Phil. Trans., 1866, 1867, 1895), H. Landolt (Berichte, 1886), S. Arrhenius (Z. phys. Chem., 1889) and NobelPrize.org. The bench is this page’s model: 250 mL low-form beakers of 70 × 95 mm (after DWK DURAN, ISO 3819), conical flasks after DIN ISO 1773 (250 mL: 85 × 145 mm; 100 mL: 64 × 105 mm), 25 mm PTFE stir bars, a stop clock with a 110 mm dial (after Hanhart); not a copy of any one set. Material presets and the model kit as on the site’s other model plates (public/looks/CREDITS.md).
本页的文字、图片和模型采用 CC BY-NC 4.0 许可：可以免费用于教学和其他非商业用途，可以修改，请注明出自 world.lapla.si。上面列出的第三方素材仍按各自的许可。
引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 93《反应的快慢》，https://world.lapla.si/zh/reactionrate/，CC BY-NC 4.0，2026-11-04 更新。
沿这个问题继续
图版 92冷了变淡，热了变深二氧化氮 NO₂ 是棕色的，两个 NO₂ 能配成无色的 N₂O₄，N₂O₄ 又会拆开。封在玻璃管里，两个方向一直同时进行；速度相等时，颜色不再变，这就是化学平衡。配对放热，所以冷了配对的多，颜色变淡；热了拆开的多，颜色变深。压缩让它偏向分子少的 N₂O₄。氯化钴溶液也一样：钴离子被水围着是粉红，被氯离子围着是蓝色；加热或加氯离子变蓝，冷却或加水变粉红。勒夏特列原理只说往哪边移；移多少要用平衡常数算，而平衡常数只随温度变。
图版 54从空气里取氮空气里近八成是氮，庄稼却用不上：氮分子的三键太牢。哈伯-博施法把氮和氢压到 100–250 巴、加热到 350–550 °C，在铁催化剂上结合成氨。温度低，平衡时氨多但反应太慢；温度高，反应快但氨少，工厂取的是折中。每过一次只转化两三成，剩下的气体循环再过。今天造出的氨，约七成做成化肥。
