内容正文:
优化探究
专题2 化学反应速率与化学平衡
第一单元 化学反应速率
第3课时 影响化学反应速率的因素(二)
[课程标准要求] 1.从宏观上认识外界因素(压强、温度、催化剂)对反应速率的影响,并能从碰撞理论进行微观解释。2.建立分析探究外界因素影响化学反应速率的思维模型,即“实验现象→影响规律→理论解释”,促进“证据推理”核心素养发展。
任务一 压强对反应速率的影响
任务二 温度、催化剂对反应速率的影响
课时作业 巩固提升
任务一 压强对反应速率的影响
1.研究对象——气体模型的理解
对于气体来说,在一定温度下,一定质量的气体所占的体积与压强成反比。如图所示。
对于有气体参加的反应,在密闭容器中保持温度不变时,增大压强,气体体积 ,相当于 反应物的浓度,反应速率 。
减小
增大
增大
2.微观解释
增大压强→气体体积减小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数
→单位时间内有效碰撞概率 →反应速率 ;反之,反应速率 。
3.注意事项
(1)压强改变对速率的影响适用于有 参与的反应,且通过 改变对反应速率的影响实现。
(2)对于固体、液体之间或在溶液中进行的反应而言,改变压强对它们体积的影响很小,因此可以忽略压强改变对反应速率的影响。
增多
增大
增大
气体
浓度
减小
对于反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)
(1)恒温恒容条件下,向反应体系中充入氮气,反应速率 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),原因是______________________________________。
(2)恒温恒容条件下,向反应体系中充入氦气,反应速率 ,原因是
。
(3)恒温恒压条件下,向反应体系中充入氦气,反应速率 ,原因是
___________________________________________________________
。
增大
增大反应物的浓度,化学反应速率增大
不变
恒容条件下,充入氦气,反应物和生成物的浓度不变,化学反应速率不变
减小
压强不变,充入氦气,容积增大,氮气、氢气的浓度减小,化学反应速率
减小
1.在一定条件下的密闭容器中存在下列四个化学反应,增大容器的体积对化学反应速率没有影响的是( )
A.2SO2(g)+O2(g)⥫⥬2SO3(g)
B.CO(g)+H2O(g)⥫⥬CO2(g)+H2(g)
C.CO2(g)+H2O(l)⥫⥬H2CO3(aq)
D.Fe3+(aq)+3SCN-(aq)⥫⥬Fe(SCN)3(aq)
D
增大容器的体积对于没有气体参与或生成的反应的反应速率无影响,D项正确。
2.在体积可变的容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g),当增大压强使容器体积缩小时,化学反应速率加快,其主要原因是( )
A.分子运动速率加快,使反应物分子间的碰撞机会增多
B.反应物分子的能量增加,活化分子百分数增大,有效碰撞次数增多
C.活化分子百分数未变,但单位体积内活化分子数增加,有效碰撞次数增多
D.分子间距离减小,使所有的活化分子间的碰撞都成为有效碰撞
C
A项,由于温度不变,因此分子运动速率不变,错误;B项,由于温度不变,因此反应物分子的能量不变,错误;D项,增大压强使容器体积缩小时,单位体积内反应物浓度增大,但单位体积内分子间的碰撞不一定都是有效碰撞,错误。
3.在一密闭容器中充入1 mol H2和1 mol I2,压强为p Pa,并在一定温度下使其发生反应:H2(g)+I2(g)⥫⥬2HI(g) ΔH<0,改变下列条件能加快化学反应速率的是( )
A.保持容器容积不变,向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)
B.保持容器容积不变,向其中加入1 mol H2
C.保持容器内气体压强不变,向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)
D.保持容器内气体压强不变,向其中加入1 mol H2(g)和1 mol I2(g)
B
保持容器容积不变,向其中加入1 mol N2,参加反应的物质的浓度不变,则反应速率不变,故A不符合题意;保持容器容积不变,向其中加入1 mol H2,反应物浓度增大,反应速率增大,故B符合题意;保持容器内气体压强不变,向其中加入1 mol N2,体积增大,反应物的浓度减小,则反应速率减小,故C不符合题意;保持容器内气体压强不变,向其中加入1 mol H2(g)和1 mol I2(g),因体积增大为2倍,物质的量增大为2倍,则浓度不变,反应速率不变,故D不符合题意。
压强是否影响化学反应速率,取决于是否影响反应物的浓度
(1)恒容下充入稀有气体,气体压强增大,但反应物浓度不变,故反应速率不变。
(2)恒压下充入稀有气体,气体压强不变,但体积增大,反应物浓度减小,反应速率减小。
任务二 温度、催化剂对反应速率的影响
1.温度对反应速率的影响
(1)实验探究
实验
操作
实验
现象 溶液紫红色褪去所需时间长短:
实验
结论 其他条件相同时,反应物的温度越高,反应速率越
甲>丙>乙
快
(2)影响规律:其他条件相同时,升高温度,反应速率 ;降低温度,反应速率 。经验规律,一般温度每升高10 K,其反应速率可增加2~4倍。
(3)微观解释
反之,反应速率 。
增大
减小
增加
增加
增大
减小
2.催化剂对反应速率的影响
(1)实验探究
原理 2H2O22H2O+O2↑
实验
操作
(2)影响规律:当其他条件不变时,使用催化剂,化学反应速率 。
实验
现象 A、B两试管立即产生 ,C试管产生气泡很慢
结论 FeCl3、MnO2对H2O2的分解都有催化作用,都能加快H2O2的分解
大量气泡
增大
3.用过渡态理论解释催化剂使化学反应速率增大
(1)使用催化剂→改变了反应的路径(如图),反应的活化能 →活化分子的百分数 →反应速率 。
(2)对于一个化学反应,不同的催化剂,催化效果不同。实验时应选用合适的催化剂。
降低
增大
加快
4.其他因素对反应速率的影响
(1)增大反应物间的接触面积,反应速率会随之 。
(2)光、电磁波、超声波等因素也会对反应速率产生影响。
增大
(1)升高温度,C+CO2⥫⥬2CO(吸热反应)反应速率加快,而N2+3H2⥫⥬2NH3(放热反应)反应速率会减慢。( )
(2)升高温度,会使分子的平均能量升高,活化分子所占百分数增大,从而使反应速率加快。( )
(3)催化剂可以降低反应的活化能,也可以改变反应的ΔH。( )
(4)一种催化剂可以催化所有的反应。( )
×
√
×
×
1.亚氯酸盐(如NaClO2)可用作漂白剂,在常温下,不见光时可保存一年,但在酸性溶液中因生成亚氯酸而发生分解:5HClO2===4ClO2↑+H++Cl-+2H2O。分解时,刚加入硫酸,反应缓慢,随后突然反应释放出大量ClO2,这是因为( )
A.酸使亚氯酸的氧化性增强
B.溶液中的H+起催化作用
C.溶液中的Cl-起催化作用
D.逸出的ClO2使反应生成物的浓度降低
C
由题目信息可知,NaClO2在酸性溶液中生成亚氯酸,生成的亚氯酸在刚加入硫酸时反应缓慢,随后突然反应加快,这说明分解生成的产物中某种物质起了催化剂的作用且该物质反应前不存在。
2.硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应的化学方程式为Na2S2O3+H2SO4===
Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O,下列各组实验中最先出现浑浊的是( )
D
实
验 反应温度
/℃ Na2S2O3溶液 稀H2SO4
V/mL c/(mol·L-1) V/mL c/(mol·L-1)
A 25 5 0.1 20 0.1
B 25 5 0.2 20 0.2
C 35 5 0.1 20 0.1
D 35 5 0.2 20 0.2
因35 ℃>25 ℃,则选项C和D中的反应速率大于选项A和B中的反应速率,又选项D中反应物的浓度大于C中反应物的浓度,则D中反应速率最快,最先出现浑浊。
3.某小组设计如图所示实验,探究影响H2O2分解速率的因素。下列分析错误的是( )
A.该实验探究的是温度对反应速率的影响
B.该实验要控制MnO2的质量、颗粒大小相同
C.实验中,H2O2的浓度不宜过大
D.温度相同时,若用FeCl3代替MnO2,反应速率相同
D
两个装置中的变量是温度,所以该实验探究的是温度对反应速率的影响,A项正确;由于二氧化锰是催化剂,且探究的是温度对反应速率的影响,所以该实验要控制MnO2的质量、颗粒大小相同,B项正确;H2O2浓度过大,反应速率过快,不易控制,所以实验中H2O2的浓度不宜过大,C项正确;温度相同时,若用FeCl3代替MnO2,由于改变了催化剂,则反应速率不可能相同,D项错误。
4.某反应过程能量变化如图所示,下列说法不正确的是( )
A.反应过程b有催化剂参与
B.该反应为放热反应
C.升高温度,v正增大,v逆减小
D.有催化剂的条件下,反应的活化能等于E1
C
据图可知b中活化能降低,所以b中使用了催化剂,故A正确;反应物总能量高于生成物总能量,该反应为放热反应,故B正确;E1、E2分别代表反应过程中各步反应的活化能,整个反应的活化能为能量较高的E1,故D正确。
(1)温度对反应速率的影响具有一致性,升高温度,无论是吸热反应还是放热反应,v都增大,降低温度,v都减小。
(2)探究外界因素对化学反应速率影响的思维模型:“实验现象——影响规律——理论解释”,解决实际问题时注意运用证据推理思路和思维认知模型。
课时作业 巩固提升
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[对点训练]
题组一 压强、温度、催化剂对反应速率的影响
1.对于反应N2(g)+O2(g)⥫⥬2NO(g),在密闭容器中进行,下列条件能减慢该反应的反应速率的是( )
A.缩小体积使压强增大
B.体积不变,充入N2使压强增大
C.体积不变,充入He使压强增大
D.压强不变,充入He使体积增大
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D
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A项中缩小反应体系的体积,总压强增大,各物质的浓度均增大,故反应速率加快;B项中体积不变,充入N2,反应物浓度增大,反应速率加快;C项中体积不变,充入He,总压强虽增大,但体系中各物质浓度均没有改变,故反应速率不变;D项中压强不变,充入He,导致反应体系的体积增大,各物质的浓度均减小,故反应速率减慢。
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2.某些金属氧化物粉末和Al粉在镁条的引燃下可以发生铝热反应。下列反应速率(v)和温度(T)的关系示意图中与铝热反应最接近的是( )
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B
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在低温时,铝热反应不能发生,反应速率为0;一旦引发后,由于反应放热,放出的热加速反应,B项正确。
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3.在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X―→2Y的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则( )
A.无催化剂时,反应不能进行
B.与催化剂Ⅰ相比,催化剂Ⅱ使反应活化能更低
C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内:v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
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从题图中可以看出,无催化剂时,反应能进行,但是反应速率比较慢,A项错误;在相同条件下,催化剂Ⅱ与催化剂Ⅰ相比,催化剂Ⅰ条件下生成物的浓度变化量更大,反应速率更快,故催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;0~2 min时,反应物浓度的变化量与生成物浓度的变化量之比等于其化学计量数之比,故a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随t的变化,C项错误;使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内:v(X)=(4.0 mol·L-1-2.0 mol·L-1)÷2 min=
1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
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4.一定条件下,可逆反应C(s)+CO2(g)⥫⥬2CO(g) ΔH>0,达到平衡状态,现进行如下操作:①升高反应体系的温度;②增加反应物C的用量;③缩小反应体系的体积;④减小体系中CO的量。上述措施中一定能使反应的正反应速率显著增大的是( )
A.①②③④ B.只有①③
C.只有①②③ D.只有①③④
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①升高反应体系的温度,正、逆反应速率均增大;②碳是固体,增加反应物C的用量,反应速率不变;③缩小反应体系的体积,压强增大,反应速率增大;④减小体系中CO的量,正反应速率瞬间不变,然后逐渐减小。
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5.NO和CO都是汽车尾气中的有毒气体,它们之间能缓慢反应生成N2和CO2,下列对于该反应的说法正确的是( )
A.减小压强能增大反应速率
B.使用适当催化剂增大反应速率
C.升高温度不能增大反应速率
D.增大压强对该反应速率无影响
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对于气体之间的反应,增大压强、升高温度和使用催化剂均能增大反应速率。
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题组二 有效碰撞理论对化学反应速率影响因素的解释
6.在一氧化碳变换反应CO+H2O CO2+H2中,有关反应条件改变使反应速率增大的原因分析不正确的是( )
A.使用催化剂,活化分子百分数增大,有效碰撞概率增加
B.升高温度,活化分子百分数增大,有效碰撞概率增加
C.增大压强,单位体积内活化分子数增多,有效碰撞概率增加
D.增大c(CO),活化分子百分数增大,有效碰撞概率增加
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催化剂能降低反应的活化能,提高活化分子百分数,有效碰撞概率增加,增大反应速率,故A正确;温度升高,活化分子百分数增大,有效碰撞概率增加,反应的速率加快,故B正确;增大压强,活化分子百分数不变,单位体积内活化分子数增多,有效碰撞概率增加,故C正确;浓度变大,活化分子百分数不变,但单位体积内活化分子数增多,有效碰撞概率增加,反应速率加快,故D错误。
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7.在气体反应中,能使反应物活化分子百分数增大的方法是( )
①增大反应物的浓度 ②增大压强 ③升高温度 ④移去生成物 ⑤加入催化剂
A.①③④ B.③⑤
C.②③⑤ D.①②⑤
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增大反应物的浓度,单位体积内活化分子数增加,但活化分子百分数不变,①错误;增大压强相当于增大反应物浓度,活化分子百分数不变,②错误;升高温度,单位体积内分子数目不变,活化分子百分数增大,③正确;移去生成物,减小生成物的浓度,活化分子数目减小,④错误;加入催化剂,降低反应的活化能,活化分子数目增加,则活化分子百分数增大,⑤正确。
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题组三 化学反应机理或历程
8.某反应过程中能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能,E2表示逆反应的活化能)。下列有关叙述正确的是( )
A.该反应为放热反应
B.催化剂能改变该反应的焓变
C.催化剂能降低该反应的活化能
D.逆反应的活化能大于正反应的活化能
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使用催化剂可降低反应的活化能,增加活化分子百分数,使化学反应速率增大,但不会改变反应的焓变。
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9.已知分解1 mol H2O2放出热量98 kJ,在含少量I-的溶液中,H2O2分解的机理为H2O2+I-===H2O+IO-(慢)、H2O2+IO-===H2O+O2+I-(快)。下列有关该反应的说法不正确的是( )
A.总反应中v(H2O2)∶v(O2)=2∶1
B.H2O2的分解速率与I-的浓度有关
C.该反应的催化剂是I-,而不是IO-
D.由于催化剂的加入降低了反应的活化能,使该反应的活化能低于98 kJ·mol-1
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总反应为2H2O2===2H2O+O2↑,速率之比等于化学计量数之比,则总反应中v(H2O2)∶v(O2)=2∶1,A正确;IO-为中间产物,该反应的催化剂是I-,C正
确;催化剂可降低反应的活化能,但其活化能的大小不能确定,D错误。
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10.过渡态理论认为:化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞完成的。在反应物分子生成产物分子的过程中,首先生成一种高能量的活化配合物,高能量的活化配合物再进一步转化为产物分子。按照过渡态理论,NO2(g)+
CO(g) ===CO2(g)+NO(g)的反应历程如下,下列有关说法正确的是( )
A.第二步活化配合物之间的碰撞一定是有效碰撞
B.活化配合物的能量越高,第一步的反应速率越快
C.第一步反应需要吸收能量
D.该反应的反应速率主要取决于第二步反应
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活化分子之间的碰撞不一定能发生反应,不一定是有效碰撞,故A项错误;活化配合物的能量越高,单位体积内的活化分子数目越少,有效碰撞的概率越小,第一步的反应速率越慢,故B项错误;第一步反应是断裂化学键,需要吸收能量,故C项正确;反应速率主要取决于慢反应的速率,故D项错误。
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[综合强化]
11.向四个体积相同的密闭容器中分别充入一定量的SO2和O2,开始反应时,按反应速率由大到小的顺序排列正确的是( )
甲:在500 ℃时,10 mol SO2和10 mol O2
乙:在500 ℃时,用V2O5作催化剂,10 mol SO2和10 mol O2
丙:在450 ℃时,8 mol SO2和5 mol O2
丁:在500 ℃时,8 mol SO2和5 mol O2
A.甲、乙、丙、丁 B.乙、甲、丙、丁
C.乙、甲、丁、丙 D.丁、丙、乙、甲
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甲、乙相比,乙使用催化剂,反应速率:乙>甲;丙、丁相比,丁温度高,反应速率:丁>丙;甲与丁相比,甲反应物浓度大,反应速率:甲>丁,故选C。
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12.下列关于化学反应速率的说法中,正确的是( )
①反应4NH3(g)+5O2(g)⥫⥬4NO(g)+6H2O(g)在2 L 的密闭容器中进行,
1 min后,NH3减少了0.12 mol,则1 min末的化学反应速率为v(NO)=
0.06 mol·L-1·min-1 ②H2(g)+S(s)⥫⥬H2S(g)恒压条件下充入He,化学反应速率不变 ③恒容条件下充入气体,增大压强,一定能加快化学反应速率
④一定量的锌与过量的稀硫酸反应制取氢气,为减缓反应速率,可向其中加入CH3COONa溶液 ⑤煅烧黄铁矿时将矿石磨成粉末可以加快反应速率 ⑥用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,改用98%的浓硫酸可以加快产生氢气的速率 ⑦光是影响某些化学反应速率的外界条件之一
A.①④⑤⑦ B.①②⑤
C.④⑤⑦ D.③④⑥
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化学反应速率为平均反应速率,不是瞬时反应速率,①错误;H2(g)+S(s)⥫⥬
H2S(g)该反应为等体反应,恒压条件下充入稀有气体,相当于容器的体积增大,反应速率减小,②错误;恒容条件下充入无关气体(如惰性气体),容器的总压增大,分压不变,则反应速率不变,③错误;加入CH3COONa溶液,与硫酸反应生成醋酸,则氢离子的浓度减小,减缓反应速率,④正确;将矿石磨成粉末可增大接触面积,加快反应速率,⑤正确;98%的浓硫酸具有强氧化性,冷的浓硫酸与铁发生钝化,则不产生氢气,⑥错误;光是影响某些化学反应速率的外界条件之一,如氢气和氯气在光照条件下可反应生成氯化氢,⑦正确;综上所述,正确的为④⑤⑦。
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13.研究表明CO与N2O在Fe+作用下发生反应的能量变化及反应过程如图所示,两步反应分别为①N2O+Fe+===N2+FeO+(慢);②FeO++CO===CO2+Fe+(快)。下列说法正确的是( )
A.反应①是非氧化还原反应
B.两步反应均为放热反应,总反应的化学反应速率由反应②决定
C.Fe+使反应的活化能减小,FeO+是中间产物
D.若转移1 mol电子,则消耗11.2 L N2O
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总反应速率由反应慢的一步决定,即由反应①决定,故B项错误;Fe+作催化剂,使反应的活化能减小,FeO+是中间产物,故C项正确;气体存在的条件未知,不能确定气体的体积,故D项错误。
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14.把在空气中久置的铝片5.0 g投入盛有500 mL 0.5 mol·L-1 H2SO4的烧杯中,该铝片与H2SO4反应产生氢气的速率与反应时间的关系可用如图所示的曲线来表示,回答下列问题:
(1)曲线O→a段,不产生氢气的原因是_________________________________
;
有关反应的化学方程式为 。
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久置的铝片表面有氧化铝薄膜,会先
Al2O3+3H2SO4===Al2(SO4)3+3H2O
与H2SO4反应
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(1)在空气中久置的铝片表面有氧化铝薄膜,因此,H2SO4先和氧化铝反应,不产生氢气。
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(2)曲线a→b段,产生氢气的速率增大的主要原因是
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该反应是放热反应,体系温度升高,化学反应速率增大
(2)a→b段,虽然H2SO4溶液的浓度减小,但该反应是放热反应,体系温度升高,温度起主导作用,故化学反应速率增大。
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(3)曲线上b点之后,产生氢气的速率逐渐减小的主要原因是
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随着反应的进行,H2SO4溶液的浓度减小,化学反应速率逐渐减小
(3)曲线上b点之后,H2SO4溶液的浓度减小,成为影响化学反应速率的主要因素,因此化学反应速率逐渐减小。
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15.某化学小组欲测定酸性条件下KClO3溶液与NaHSO3溶液反应的化学反应速率,所用的试剂为10 mL 0.1 mol·L-1 KClO3溶液和10 mL 0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液,所得c(Cl-)随时间变化的曲线如图所示:
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(1)根据实验数据可知,该反应在0~4 min内的平均反应速率v(Cl-)=
mol·L-1·min-1。
2.5×1
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(1)根据实验数据可知,该反应在0~4 min内生成氯离子的浓度是
0.010 mol·L-1,所以平均反应速率v(Cl-)=
mol·L-1·min-1。
(2)反应过程中,该反应的化学反应速率变化趋势为先增大后减小。
ⅰ.探究化学反应速率增大的影响因素,完成表格内容(已知:Cl===Cl-+3S+3H+):
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方案 假设 具体实验操作
Ⅰ 该反应放热,使溶液温度升高,反应速率加快 向烧杯中依次加入10 mL 0.1 mol·L-1 KClO3溶液和10 mL 0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液,
Ⅱ 反应产物Cl-对反应有催化作用 取10 mL 0.1 mol·L-1 KClO3溶液于烧杯中,先加入 (填化学式)固体,再加入10 mL
0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液
Ⅲ 反应中溶液酸性增强,加快了化学反应速率 分别向2个烧杯中加入10 mL 0.1 mol·L-1KClO3溶液,烧杯①中加入1 mL水,烧杯②中加入1 mL 0.2 mol·L-1盐酸,再分别向烧杯中加入10 mL
0.3 mol·L-1 NaHSO3溶液
插入温度计
KCl(或NaCl)
问题与思考:
①方案Ⅲ烧杯①中加入1 mL水的作用是___________________________
。
②在证明方案Ⅰ假设不成立的情况下,从变量控制角度思考,方案Ⅲ实验操作设计不严谨,改进措施为____________________________________
。
③除方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ外,请再提出一个可能使化学反应速率增大的假设:
。
空白实验,消除由于反应物浓度
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的变化给实验带来的影响
将1 mL水改为1 mL 0.2 mol·L-1KCl
溶液(或NaCl溶液)
生成物S对反应有催化作用(或生成了S,加快了化学反应速率)
ⅱ.反应后期,化学反应速率降低的主要原因是
。
随着反应进行,反应物浓度降低
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(2)ⅰ.方案Ⅰ是假设该反应放热,使溶液温度升高,反应速率加快,因此需要测量反应过程中溶液温度的变化,则方案Ⅰ中的实验操作为插入温度计;方案Ⅰ、Ⅱ相比较,探究反应产物Cl-对反应是否有催化作用,所以方案Ⅱ中应加入Cl-,可加入KCl或NaCl固体。②方案Ⅲ两烧杯中,除酸性不同外,c(Cl-)也不同,为防止Cl-干扰,故改进措施为将1 mL水改为1 mL 0.2 mol·L-1KCl溶液或NaCl溶液。③由于反应中还有硫酸根离子生成,则除方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中的假设外,还可以提出的假设是生成的硫酸根离子加快了化学反应速率。
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