主题二 化学反应及其规律 课件-中职《化学(加工制造类)》同步教学(高教版)

主题二 化学反应及其规律 陈金民 学习目标 1．了解什么是氧化反应、还原反应和氧化还原反应，认识氧化还原反应均伴有化合价的变化，其本质是原子间发生电子转移，知道氧化剂和还原剂的特点，发展宏观辨识与微观探析、现象观察与规律认知等化学学科核心素养。 2．了解不同的化学反应的反应速率是不同的，了解化学反应速率的表示方法 ;了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响 ;了解催化剂在生产生活中的意义和作用，发展现象观察与规律认知、实验探究与创新意识等化学学科核心素养。 学习目标 3．认识化学反应是有方向的，了解可逆反应和化学平衡状态的特点，了解浓度、压强、温度对化学平衡的影响，发展变化观念与平衡思想、现象观察与规律认知等化学学科核心素养。 4．通过对氧化还原反应、化学反应速率和化学平衡的学习和实践观察，深入了解和体会外界条件和催化剂对化学反应速率和化学平衡的影响，理解物质的化学变化是由其性质决定的，外部条件只能加快或延缓其变化速率的科学事实，能够运用所学知识理解、分析、解释和解决生活中一些实际问题。 铝是比较活泼的金属，而且活泼性大于铁和铜。 日常生活中铝可以作炊具，而铁和铜在潮湿空气中容易生成红棕色的铁锈和绿色的铜锈（图2-1-1）。你知道其中的原因吗？ 图 2-1-1 生锈的金属 photo 第一节 氧化还原反应 一、氧化还原反应 图2-1-2为一组常见的化学反应： ① 向AlCl3溶液中滴加氨水；② 酒精燃烧； 观察这些反应现象，运用初中化学知识，你认为它们属于哪种类型的反应？ photo 图 2-1-2 一组常见的化学反应 一、氧化还原反应 在初中化学中，我们已经学过在加热条件下氢气能与氧化铜发生反应，并把铜从氧化铜中置换出来。 反应中，氧化铜失去氧变成了单质铜，发生了还原反应； 氢气得到了氧化铜中的氧变成了水，发生了氧化反应。 这两个反应是同时发生的。 像氢气与氧化铜的反应，就称为氧化还原反应从得氧、失氧角度来分析氧化还原反应有其局限性，因为只能分析有氧参加的反应。 photo 一、氧化还原反应 从化合价的变化分析上述反应，反应中，氧化铜发生了还原反应，铜元素的化合价从+2价降低到0价；氢气发生了氧化反应，氢元素的化合价从0价升高到+1价。 金属钠在氯气中燃烧，反应方程式为： 反应中，钠原子失去电子，钠元素的化合价从0价升高到+1价，发生了氧化反应（被氧化）。氯原子得到电子，氯元素的化合价从0价降低到-1价，发生了还原反应（被还原）。 photo photo 一、氧化还原反应 反应中虽然没有得氧和失氧的过程，但其本质与氢气还原氧化铜的反应是相同的，参加反应的物质中某些元素的化合价发生了改变，因此属于氧化还原反应。又如，氢气与氯气的反应： photo 该反应属于非金属与非金属的反应。反应中，氢原子最外层有1个电子，氯原子最外层有7个电子，只能各提供最外层的1个电子形成一个共用电子对，使双方都达到稳定结构，图2-1-3为氯化氢分子形成示意图。 photo 图2-1-3 氯化氢分子形成示意图 一、氧化还原反应 由于氯原子吸引共用电子对的能力比氢原子要强一些，所以在氯化氢分子中，共用电子对偏向于氯原子而偏离于氢原子。 氢元素的化合价从0价升高到+1价，发生了氧化反应； 氯元素的化合价从0价降低到-1价，发生了还原反应。 元素化合价升高（表现为失去电子或共用电子对偏离）的反应称为氧化反应，元素化合价降低（表现为得到电子或共用电子对偏向）的反应称为还原反应。 有电子得失或共用电子对偏移的反应称为氧化还原反应。 在氧化还原反应中，得电子总数等于失电子总数（化合价降低总数等于化合价升高总数） 二、氧化剂和还原剂 在氧化还原反应中，凡是失去电子（或共用电子对偏离）、化合价升高的物质称为还原剂；凡能得到电子（或共用电子对偏向）、化合价降低的物质称为氧化剂。例如： photo 在上述两个反应中，Cu和H2都是还原剂，HNO3和Cl2都是氧化剂。氧化还原反应中，氧化剂和还原剂都是指参加反应的物质。发生氧化还原反应后生成的物质，称为氧化产物和还原产物。 常见的氧化剂有活泼的卤素、O2及Na2O2、H2O2、HClO、KClO3、KMnO4、K2Cr2O7、浓H2SO4和HNO3等； 常见的还原剂有活泼的金属K、Na、Mg、Al及C、H2、CO、H2S、SO2、Na2SO3、Na2S2O3、焦亚硫酸钠和维生素C等； 具有中间价态的一些化合物，既可作氧化剂，也可作还原剂。 二、氧化剂和还原剂 在有些氧化还原反应中，氧化剂和还原剂是同一种物质。例如： KClO3既是氧化剂，又是还原剂。 氧化还原反应在人们生产生活中应用广泛。 有些氧化还原反应，例如食物的腐败、钢铁的锈蚀、易燃物的自燃等会给人类带来危害。 运用所学化学知识，减少或避免氧化还原反应对人类生产、生活造成的危害，以推动社会进步和人类生活质量的提高。 photo 交流与讨论 白炽灯的灯泡里为什么不能有空气？ 日常生活中还有哪些氧化还原反应？ 思考与应用 1.某些品牌的食用油或一些食品的包装上写着充氮保护，你能否解释其中的原因?应用该原理，你对日常生活中食用油或食品的存放有哪些建议？ 2.高锰酸钾（KMnO4）是一种常见的强氧化剂，为紫黑色，有金属光泽的晶体，俗称“PP粉”。易溶于水，水溶液的颜色，根据高锰酸钾含量的多少可由暗紫色到浅紫红色。高锰酸钾中Mn的化合价为最高化合价+7，是一种强氧化剂。在不同的酸碱性条件下，高锰酸钾的氧化能力不同，还原产物不同。请查阅资料了解在不同的酸碱性条件下还原产物有何不同，为什么？ 思考与应用 3.纯净过氧化氢是无色黏稠液体，可与水以任意比例混溶，医药上常用质量分数为3%的过氧化氢作消毒剂，清洗创口。过氧化氢不稳定，受热、见光、接触灰尘等均易分解并放出氧气。 请你利用所学的氧化还原反应的知识，分析一下该反应，哪种元素被氧化？哪种元素被还原？哪种物质是氧化剂？哪种物质是还原剂？ photo 造纸术、指南针、火药、印刷术称为中国古代的四大发明，其中火药的用途所涉及的化学反应，大多瞬间完成，如枪弹射击、火箭发射、点燃鞭炮等[图2-2-1(a)]。而古法制竹纸中的“煮楻足火”工序（将浸泡去竹皮后的竹料拌入石灰水蒸煮，去除原料中的木质素、树胶和树脂等杂质）涉及的化学反应，却需经过几个昼夜才能完成[图2-2-1(b)]。为什么化学反应有快有慢？ 图 2-2-1 点燃鞭炮与古法造纸 photo 第二节 化学反应速率 一、化学反应速率 在化学实验和日常生活中，我们经常观察到：有的化学反应进行得快，有的化学反应进行得慢。你了解图2-2-2、图2-2-3、图2-2-4中化学变化过程进行的快慢吗？ photo 化学反应的“快”与“慢”是相对的。在科学研究与实际应用中，化学反应进行的快慢用“化学反应速率”表示。 化学反应速率（v）通常用单位时间内反应物或生成物的物质的量浓度的变化表示，单位为mol/(L·s)、mol/(L·min)或mol/(L·h)等。 photo photo 图 2-2-2 炸药爆炸 图 2-2-3 钾与水反应 图 2-2-4 牛奶变质 一、化学反应速率 说明：物质的量是用于表示一定化学物质粒子数目的物理量（单位为mol），物质的量浓度则常用来表示溶液的浓度（单位为mol/L） 例如：在一定条件下，工业合成氨的反应： photo photo 则以反应物N2的浓度变化来表示的化学反应速率为： photo 二、影响化学反应速率的因素 化学反应速率首先取决于参加反应的反应物本身的结构和性质，但外界条件对化学反应速率有一定的影响。 （1）实验 ① 取2支试管，分别编上1、2号，在试管1中加入2 mL0.1mol/L Na2S2O3溶液和3mL蒸馏水；在试管2中加入5 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液。同时，再往这2支试管中各加入5mL 0.1mol/LH2SO4溶液，振荡试管。记录2支试管从加入硫酸至开始出现浑浊所需的时间，完成表2-2-1。 试管编号 0.1 mol/L Na2S2O3 溶液体积 / mL H2O 的体积/mL 0.1 mol/L H2SO4 溶液体积 / mL 出现浑浊所需时间 /s 1 2 3 5 2 5 - 5 表 2-2-1  出现浑浊所需时间记录 二、影响化学反应速率的因素 （1）实验 ② 取3支试管，分别编为1、2、3号，依次加入5 mL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液，然后在室温条件下，向1号试管中滴入5 mL0.1 mol/L H2SO4溶液，记录出现浑浊所需的时间；再把2号、3号试管放在水浴中加热，使2号试管温度高于室温10℃，3号试管温度高于室温20 ℃，然后向这2支试管中分别滴入5 mL0.1mol/LH2SO4溶液，记录从加入硫酸至开始出现浑浊所需的时间，完成表2-2-2。 试管编号 0.1mol/LNa2S2O3 溶液体积 / mL 0.1mol/LH2SO4溶液体积 / mL 温度 出现浑浊所需时间 /s 1 5 5 室温 2 5 5 室温 + 10 ℃ 3 5 5 室温 + 20 ℃ 表 2-2-2  出现浑浊所需时间记录 二、影响化学反应速率的因素 （1）实验 ③ 取2支试管，分别加入1mLH2O2溶液（质量分数30%），再往试管2中加入少许MnO2固体。对比观察现象（图2-2-5），完成表2-2-3。 试管编号 H2O2溶液（质量分数30%）体积/ mL MnO2 固体 反应现象 1 1 - 2 1 少许 表 2-2-3  反应现象记录 photo 图 2-2-5 催化剂对化学反应速率的影响 二、影响化学反应速率的因素 （2）探究结果 实验①、②中Na2S2O3与H2SO4反应的化学方程式为： 2号试管内两物质的反应比1号试管内两物质的反应快，说明反应物Na2S2O3溶液浓度增大，化学反应的速率加快。 当其他条件相同时，增大反应物的浓度，反应速率加快；减小反应物的浓度，反应速率减慢。 反应物浓度不变，但随着反应温度的升高，化学反应的速率加快。 当其他条件相同时，升高温度，反应速率加快；降低温度，反应速率减慢。 photo 二、影响化学反应速率的因素 （2）探究结果 在实验③中，稀的H2O2溶液较稳定，分解速率很小，不易看见有气泡生成。但加入少许固体MnO2后，大大加速了H2O2的分解。表明MnO2作为这个反应的催化剂，能极大地加快化学反应速率。凡能改变化学反应速率，而本身的化学组成和质量在反应前后都不发生变化的物质称为催化剂。大量实验和理论研究发现，催化剂能显著地改变化学反应速率。 二、影响化学反应速率的因素 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2-2-6所示。 在相同温度下，压强越大，一定质量的气体体积就越小，单位体积内的气体分子数就越多，即气体的浓度就会越大；反之，压强越小，一定质量的气体体积就越大，单位体积内的气体分子数就越少，即气体的浓度就会越小。 增大压强，就是增大气体的浓度，反应速率增大；减小压强，就是减小气体的浓度，反应速率减慢。 影响化学反应速率的主要因素可以用图2-2-7表示。 除了这些主要因素以外，反应物的颗粒大小、粒子扩散速率快慢、光、超声波、电磁波及反应溶剂等，也是影响化学反应速率的因素。 二、影响化学反应速率的因素 photo 图 2-2-6 压强与气体浓度关系示意图 photo 图 2-2-7 影响化学反应速率的主要因素 实践活动 以小组为单位，以“飞秒化学”为关键词，上网查阅资料，进一步认识化学反应速率，并制作成演示文稿，在课堂上交流。 思考与应用 1.你能举出生活中化学反应快慢对人类生活有利有弊的事例吗？对于有弊的事例，利用所学的化学知识解释人类可以采取什么措施去预防及应对。 2.除了改变反应物的浓度、温度、压强和使用催化剂能改变化学反应速率外，还有一些方法能改变反应速率。例如，矿石粉碎成粉末后，增大反应物间的接触面积，反应速率会加快。查一查，还有哪些因素会对化学反应速率有影响？ 3.仔细观察药品说明书你会发现，药品都有有效期，而且上面也会注明药品保存条件，如常温指温度10 ~ 30 ℃；阴凉处指0 ~ 20 ℃；冷处保存的药品必须存放在冰箱中（2 ~ 10 ℃）。为什么不同的药品要有不同的保存条件？ 氯气的水溶液称为“氯水”。氯水中，氯气和水反应可生成HCl和HClO（次氯酸）。观察发现：新制氯水在很长一段时间内总是保持着浅绿色，如图2-3-1所示，还有类似氯气的刺鼻气味，你知道其中隐藏着怎样的奥秘吗？ 图 2-3-1 新制氯水 photo 第三节 化学平衡 一、吸热反应和放热反应 观察图2-3-2所示现象，联系日常生活中的体会，你对化学反应中的能量变化有什么样的认识呢？ photo 进行化学反应时，不仅有新物质生成，而且常伴随能量的变化，通常表现为吸收或放出热量。 除了有新物质生成外，同时还向环境放出热量，这种放出热量的化学反应称为放热反应。还有一些化学反应在反应过程中要吸收热量。 图 2-3-2 一组生活中的常见现象 一、吸热反应和放热反应 化肥厂利用水蒸气与红热的炭作用生成水煤气的反应，碳酸钙的分解反应等，只有从环境不断获得能量才能维持反应的进行，这种吸收热量的化学反应称为吸热反应。在一定温度下，化学反应所吸收或放出的热量称为该反应的反应热。 拓展延伸 在一定压强条件下进行的化学反应，其反应热常用“∆H ”表示。反应放出热量时，∆H为负值；反应吸收热量时，∆H为正值。在一定条件下， 上述化学式后括号内s、l、g分别表示物质的固态、液态和气态。这种表明化学反应吸收或放出热量的化学方程式称为热化学方程式。 photo 二、化学平衡 当温度一定时，将过量的某晶体物质放入某溶剂中形成饱和溶液。长时间的观察表明，溶液中剩余晶体物质的外形竟然在不断地变化，小晶体会长大，有的晶体上的缺角不见了，但是剩余晶体的质量却没有改变。 二、化学平衡 我们在初中化学中已经学过，氢气和氧气燃烧生成水的反应。 在一定条件下，反应几乎能完全进行到底，反应物能完全转变为生成物，而在同样条件下，向相反方向的反应几乎不能进行。 但是，还有一些化学反应与上述反应不同，反应物不能全部转变为生成物。例如，工业合成氨的反应： 1.可逆反应 photo photo 该反应在一定条件下，N2与H2反应生成NH3的同时，部分NH3在相同的条件下又分解为N2和H2，致使N2和H2的反应不能进行到底。这种在同一条件下，能够同时向两个相反方向进行的反应称为可逆反应。 通常，把向右进行的反应称为正反应，把向左进行的反应称为逆反应。可逆反应通常在反应方程式中用符号“ ”表示。 二、化学平衡 1.可逆反应 photo 在上述反应中，开始时，N2和H2的浓度最大，它们化合生成NH3的正反应速率也是最大；而此时NH3的浓度为零，它分解生成N2和H2的逆反应速率也为零。随着反应的进行，反应物N2和H2的浓度逐渐减小，正反应速率就逐渐减小；生成物NH3浓度逐渐增大，逆反应的速率也逐渐增大。 二、化学平衡 2.化学平衡 经过一段时间，将会出现正反应速率和逆反应速率相等的情况，如图2-3-3所示。这时，单位时间内正反应消耗的N2和H2的分子数恰好等于逆反应生成的N2和H2的分子数。反应体系中，N2、H2和NH3的浓度不再发生变化。于是，反应物和生成物就处于化学平衡状态。 图 2-3-3 可逆反应中正、逆反应速率变化示意图 所谓化学平衡状态，是指在一定条件下，可逆反应的正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。 化学平衡是一种动态平衡，当反应达到平衡时，正反应和逆反应仍在继续进行，只是正、逆反应速率相等，反应物、生成物的浓度不再随时间发生变化。 化学平衡状态只是可逆反应在一定条件下的一种暂时的、相对的稳定状态。 如果影响平衡的条件发生变化，使得正、逆反应速率不再相等，反应的平衡状态就会遭到破坏，各物质的浓度就会发生变化，直到在新的条件下，反应又达到新的平衡。像这种因平衡状态被破坏而建立新的平衡的过程，称为化学平衡的移动。 二、化学平衡 2.化学平衡 拓展延伸 可逆反应达到化学平衡状态时，生成物浓度的幂乘积与反应物浓度的幂乘积之比是一个常数，该常数称为化学平衡常数。对于任何一个可逆反应： 当反应达到平衡时，其化学平衡常数（K）可表示为： 式中[A]、[B]、[C]、[D]为反应物和生成物平衡时的物质的量浓度，p、q、m、n为方程式中各相应化学式前面的系数。K值的大小表明反应按正向进行程度的大小。 photo photo 二、化学平衡 （1）实验 ① 在一小烧杯中加入15 mL蒸馏水，然后分别加入3滴0.1 mol/LFeCl3溶液和0.1 mol/LKSCN溶液，得到血红色溶液。 将所得溶液等分于3支试管中，然后向第1支试管中滴入4滴0.1 mol/L FeCl3溶液，向第2支试管中滴入4滴0.1 mol/L KSCN溶液，第3支试管留作对比实验并完成表2-3-1。 编号 滴入 0.1 mol/L FeCl3 溶液 / 滴 滴入 0.1 mol/L KSCN 溶液 / 滴 红色深浅变化 1 4 0 2 0 4 3 0 0 对比试验 表 2-3-1  红色深浅变化记录 （1）实验 ②将充有NO2与N2O4平衡混合气体平衡仪的两球，分别置于盛有热水（左）和冰水（右）的烧杯中（图2-3-4），观察平衡仪两球内气体颜色的变化，完成表2-3-2。 ③如图2-3-5所示，用注射器吸入NO2和N2O4的混合气体后，将细管端用橡胶塞加以封闭，推拉注射器活塞，观察管中的颜色变化。 photo 二、化学平衡 烧杯 热水杯（左） 冰水杯（右） 球内气体 颜色变化 表 2-3-2  气体颜色变化记录 photo 图 2-3-4 温度对化学平衡的影响 图 2-3-5 压强对化学平衡的影响 photo （2）探究结果 从实验①可以观察到，向平衡体系中分别滴加0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L KSCN溶液，红色溶液颜色均加深。 在其他条件不变的情况下，增大反应物的浓度或减小生成物的浓度，都可以使平衡向正反应方向移动；增大生成物的浓度或减小反应物的浓度，都可以使平衡向逆反应方向移动。 从实验②可以观察到，左球放在热水中，球内气体颜色加深，说明NO2的浓度增大，平衡向逆反应（吸热反应）方向移动；右球放在冰水中，球内气体颜色变浅，说明NO2的浓度减小，平衡向正反应（放热反应）方向移动。 大量实验表明，在其他条件不变的情况下，升高温度，化学平衡向吸热反应的方向移动；降低温度，化学平衡向放热反应的方向移动。 二、化学平衡 （2）探究结果 从实验③可以观察到，达到平衡后，如果增大平衡体系的压强，混合气体的颜色会先变深后变浅，即N2O4的浓度增大，平衡向正反应方向移动。如果减小平衡体系的压强，混合气体的颜色会先变浅后变深，即NO2的浓度增大，平衡向逆反应方向移动。 大量实验表明，在其他条件不变的情况下，增大压强，化学平衡向气体分子总数减小的方向移动；减小压强，化学平衡向气体分子总数增大的方向移动。 二、化学平衡 综上所述，如果改变影响平衡的一个条件（如温度、压强及参加反应的化学物质的浓度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动。这就是著名的勒夏特列原理，又称化学平衡移动原理 由于催化剂能够同等程度地改变正反应和逆反应的反应速率。因此，它对化学平衡的移动没有影响，但它能改变反应达到平衡所需的时间。这对于提高生产效率无疑具有十分重要的意义。 二、化学平衡 在近一个世纪的时间里，经过坚持不懈地探索和努力，科学家们成功地解决了从实验室到工业化、从微观到宏观的合成氨问题。彰显了化学家攻坚克难的勇气和勇于创新的科学精神，对人类现代化做出了不可估量的贡献。 （1）请写出工业合成氨的化学方程式，并运用勒夏特列原理从理论上分析讨论合成氨生产的最佳条件。 （2）查阅资料，了解与合成氨工业相关的三项诺贝尔奖的卓越贡献，并制作一份手抄报在班级进行展示交流。 实践活动 思考与应用 1.化学反应的可逆性是普遍存在的，但有些反应在一定的条件下却可以进行得非常完全。你能分析出什么样的反应、在什么条件下可以进行得非常完全吗？ 2.如何理解化学反应达到平衡以后，化学反应没有停止仍在不断地进行，但如果外界条件不发生改变，体系中反应物和生成物的浓度却不再随时间改变？ 3.过去我国北方冬天没有暖气和空调，需要在房间中放置一个烧煤的炉子取暖。在烧煤炉的屋子里经常会发生CO中毒事件，你知道为什么吗？ 4.血液里的血红蛋白(Hb)具有输送氧的功能，遇氧结合成氧合血红蛋白(HbO2)。三者的关系为： 用化学平衡移动的原理，解释吸氧能解决机体缺氧问题。 photo 思考与应用 反应 特征 还原剂 / 氧化剂 氧化反应 失去电子，化合价升高的反应 本身为还原剂 还原反应 得到电子，化合价降低的反应 本身为氧化剂 氧化还原反应 实质：反应中有电子的得失 特征：反应前后元素化合价发生变化 失电子的为还原剂得电子的为氧化剂 回顾与总结 一、氧化还原反应 项目 概念 公式 单位 化学反应速率 单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加 mol/(L·s) mol/(L·min) mol/(L·h) 影响化学反应速率的因素 反应物浓度 当其他条件不变时，增大反应物浓度，可以提高化学反应速率；减小反应物浓度，可以降低化学反应速率 压强 有气体参加的化学反应，当其他条件不变时，增大反应的压强，可以提高化学反应速率；减小反应的压强，可以降低化学反应速率 温度 其他条件不变时，升高反应温度，可以提高化学反应速率；降低反应温度，可以降低化学反应速率 催化剂 催化剂可以改变化学反应速率，一般为正催化剂 二、化学反应速率 项目 概念 特点 可逆反应 氧化反应 在同一条件下，能同时向两个相反方向进行的化学反应 密闭容器中反应物不能完全转化成生成物 化学平衡 还原反应 在一定条件下，可逆反应正反应速率和逆反应速率相等，各物质的浓度不再随时间而改变的状态 正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再变化 影响化学 平衡的因素 浓度 改变任何一种反应物或生成物的浓度，引起化学平衡的移动，增加（降低）一种物质的浓度，平衡就会向减少（增加）这种物质的方向移动 压强 对于分子数目变化的气体反应，增大（减小）压强，平衡向气体分子总数减少（增大）的方向移动 温度 升高温度，平衡向吸热方向移动；降低温度，平衡向放热方向移动 催化剂 催化剂只改变达到化学平衡的时间，不能改变化学平衡状态 回顾与总结 三、化学平衡 谢谢！ $$