内容正文:
第八章 化学反应速率与化学平衡
第一节 化学反应速率
·考试要求·
1.根据图像、表格、实验数据等信息,建立化学反应速率的计算和比较等题目的解题模型,培养图像分析和数据处理的基本能力。
2.结合具体生活生产实例,探究外界条件对化学反应速率的影响,形成变量控制的实验思想和调控化学反应快慢的基本思路。
3.以碰撞理论和过渡态理论的简单要点为基础,从微观层面了解化学反应是怎样进行的,加深对化学反应速率影响因素的认识,逐步掌握宏观和微观相结合分析问题的方法。
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一、化学反应速率的有关计算
1.化学反应速率
单位时间内反应物浓度的减小
生成物浓度的增大
mol·L-1·s-1或mol/(L·s)
第一节 化学反应速率
2.对于反应aA+bB⥫⥬cC+dD有:
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)
=Δc(A) ∶Δc(B)∶Δc(C)∶Δc(D)
=Δn(A)∶Δn(B)∶Δn(C)∶Δn(D)
=____________
二、影响化学反应速率的因素
1.影响化学反应速率的内因
反应物本身的性质是主要因素。例如,相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为________。
a∶b∶c∶d
Mg>Al
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第一节 化学反应速率
4
2.影响化学反应速率的外因
增大
减小
不变
增大
减小
气体
增大
减小
增大
相同
比表面积
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第一节 化学反应速率
3.理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子:能够发生有效碰撞的分子。
(2)活化能与焓变的关系
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第一节 化学反应速率
①催化剂能降低反应的活化能,但不影响焓变的大小及平衡转化率。
②在无催化剂的情况下,E1为正反应的活化能,E2为逆反应的活化能,ΔH=E1-E2,活化能大小影响反应速率。
③起点、终点能量高低决定反应的ΔH,并且物质的能量越低,物质越稳定。
(3)有效碰撞:活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
升高温度、使用催化剂使活化分子的百分数增加。
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第一节 化学反应速率
(1)对于可逆反应,加入催化剂,降低反应所需的活化能,能同等程度地增大正、逆反应速率。 ( )
√ 解析:加入催化剂,改变了反应的途径,增大了反应速率。
(2)恒容条件下时,向容器中充入稀有气体,容器内的压强增大,正、逆反应速率都增大。 ( )
× 解析:恒容时充入稀有气体,未改变各组分的浓度,因此正、逆反应速率都不变。
(3)增加反应物的物质的量,一定能使反应速率增大。 ( )
× 解析:若增加固体的量,反应速率不变。
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第一节 化学反应速率
(4)增大反应物浓度,反应速率增大的原因是单位体积内活化分子数增多。
( )
√ 解析:增大反应物浓度,单位体积内活化分子数目增多,单位时间内有效碰撞的次数增多,反应速率增大。
(5)在酶催化淀粉水解反应中,温度越高淀粉水解速率越大。 ( )
× 解析:酶在高温下会发生变性而失去催化活性,在高温下,淀粉水解速率反而减小。
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第一节 化学反应速率
(1)压强对反应速率的影响两提醒
①压强对化学反应速率有影响的前提是有气体参加反应,若无气体参加反应,则压强对反应速率几乎无影响。
②稀有气体对反应速率的影响
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第一节 化学反应速率
(2)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
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第一节 化学反应速率
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化学反应速率的计算(含化学反应速率方程)
考向1| 化学反应速率的计算
1.(1)合金贮氢材料具有优异的吸氢性能,在配合氢能的开发中起到重要作用。温度为T1时,2 g某合金4 min内吸收氢气240 mL,吸氢速率v=______mL·g-1·min-1。
第一节 化学反应速率
(2)在新型RuO2催化剂作用下,使HCl转化为Cl2的反应2HCl(g)+O2(g)===H2O(g)+Cl2(g)具有更好的催化活性。一定条件下测得反应过程中n(Cl2)的数据如下:
2.0~6.0 min内以HCl的物质的量变化表示的反应速率是________ mol·min-1。
t/min 0 2.0 4.0 6.0 8.0
n(Cl2)/(10-3 mol) 0 1.8 3.7 5.4 7.2
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第一节 化学反应速率
13
(3)在容积为1.00 L的容器中,通入一定量的N2O4,发生反应:N2O4(g)⥫⥬ 2NO2(g),体系中各物质的浓度随时间的变化如图所示。
在0~60 s时段,反应速率v(N2O4)为________mol·L-1·s-1。
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第一节 化学反应速率
解析:(1)吸氢速率v==30 mL·g-1·min-1。(2)2.0~6.0 min时间内,Δn(Cl2)=5.4×10-3 mol-1.8×10-3 mol=3.6×10-3 mol,v(Cl2)==9.0×10-4 mol·min-1,v(HCl)=2v(Cl2)=2×9.0×10-4 mol·min-1=1.8×10-3 mol·min-1。(3)0~60 s时段,Δc(N2O4)=0.100 mol·L-1-0.040 mol·L-1=0.060 mol·L-1,v(N2O4)==0.001 0 mol·L-1·s-1。
答案:(1)30
(2)1.8×10-3
(3)0.001 0
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第一节 化学反应速率
2.工业制硫酸的过程中,SO2(g)转化为SO3(g)是关键的一步,550 ℃时,在1 L的恒温容器中,反应过程中部分数据见下表:
若在起始时总压为p0 kPa,反应速率若用单位时间内分压的变化表示,气态物质分压=总压×气态物质的物质的量分数,则10 min内SO2(g)的反应速率v(SO2)=________kPa·min-1。
反应时间/min SO2g/mol O2g/mol SO3g/mol
0 4 2 0
5 1.5
10 2
15 1
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第一节 化学反应速率
解析:列出“三段式”
2SO2(g)+O2(g)⥫⥬2SO3(g)
初始/mol 4 2 0
转化/mol 2 1 2
10 min时/mol 2 1 2
气体总压之比等于气体总物质的量之比,所以10 min时体系总压p10 min满足=,即p10 min=p0 kPa,p初始(SO2)=p0 kPa,p10 min(SO2)=p0 kPa×=p0 kPa,故v(SO2)==p0 kPa·min-1。
答案:
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第一节 化学反应速率
3.硝基苯甲酸乙酯在OH-存在下发生水解反应:O2NC6H4COOC2H5+OH-⥫⥬O2NC6H4COO-+C2H5OH,两种反应物的初始浓度均为0.050 mol·L-1,15 ℃时测得O2NC6H4COOC2H5的转化率α随时间变化的数据如表所示。
t/s 0 120 180 240 330 530 600 700 800
α/% 0 33.0 41.8 48.8 58.0 69.0 70.4 71.0 71.0
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第一节 化学反应速率
回答下列问题:
(1)列式计算该反应在120~180 s与180~240 s区间的平均反应速率:______________________、______________________。
(2)比较两者大小可得出的结论是________________________________________
__________________________________________________________________。
答案:(1)v=≈7.3×10-5mol·L-1·s-1
v=≈5.8×10-5mol·L-1·s-1(
(2)随反应的进行,反应物浓度降低,反应速率减小
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第一节 化学反应速率
方法规律
“三段式”法计算化学反应速率的答题模板
(1)准确写出化学方程式。
(2)找出各物质的初始量、转化量、平衡量(物质的量浓度或物质的量)。
(3)根据已知条件建立等式关系进行解答。
(4)基本模式
mA + nB ⥫⥬pC+qD
起始/(mol·L-1) a b 0 0
转化/(mol·L-1) mx nx px qx
t min末/(mol·L-1) a-mx b-nx px qx
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第一节 化学反应速率
考向2| 速率图像分析
4.(双选)一定条件下,在体积为10 L的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g) ΔH<0,反应过程如图所示。下列说法正确的是( )
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第一节 化学反应速率
A.t1 min时,正、逆反应速率相等
B.X曲线表示NH3的物质的量随时间变化的关系
C.0~8 min内,H2的平均反应速率v(H2)=0.112 5 mol·L-1·min-1
D.10~12 min内,N2的平均反应速率v(N2)=0.002 5 mol·L-1·min-1
√
√
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第一节 化学反应速率
BD 解析:t1 min时,X、Y的物质的量相等,但二者的变化量不等,正、逆反应速率不相等,A错误;由题图可知,0~8 min内,X、Y的物质的量变化分别为0.6 mol、0.9 mol,二者的比值为0.6 mol∶0.9 mol=2∶3,结合反应N2(g)+3H2(g)⥫⥬2NH3(g)及曲线走势推知,X曲线表示NH3的物质的量随时间的变化关系,Y曲线表示H2的物质的量随时间的变化关系,B正确;0~8 min内,n(H2)由1.2 mol减少到0.3 mol,则v(H2)==0.011 25 mol·L-1·min-1,
C错误;10~12 min内,NH3的物质的量增加了0.7 mol-0.6 mol=0.1 mol,则N2的物质的量应减少=0.05 mol,N2的平均反应速率v(N2)==0.002 5 mol·L-1·min-1,D正确。
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第一节 化学反应速率
方法规律
依据图像求反应速率的步骤
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第一节 化学反应速率
考向3| 速率常数的应用
5.(双选)恒温恒容条件下,向密闭容器中加入一定量X,发生反应的方程式为①X===Y;②Y===Z。反应①的速率v1=k1c(X),反应②的速率v2=k2c(Y),式中k1、k2为速率常数。图a为该体系中X、Y、Z浓度随时间变化的曲线,图b为反应①和②的ln k~曲线。下列说法错误的是( )
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第一节 化学反应速率
A.随c(X)的减小,反应①、②的速率均降低
B.体系中v(X)=v(Y)+v(Z)
C.欲提高Y的产率,需提高反应温度且控制反应时间
D.温度低于T1时,总反应速率由反应②决定
√
√
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第一节 化学反应速率
AB 解析:由发生的两个反应结合图a中的信息可知,浓度随时间变化逐渐减小的代表的是X,浓度随时间变化逐渐增大的代表的是Z,浓度随时间变化先增大后减小的代表的是Y,随c(X)的减小,c(Y) 先增大后减小,c(Z)增大,因此,反应①的速率随c(X)的减小而减小,而反应②的速率先增大后减小,A错误;根据体系中发生的反应可知,在Y的浓度达到最大值之前,单位时间内X的减少量等于Y和Z的增加量,因此,v(X)=v(Y)+v(Z),但在Y的浓度达到最大值之后,单位时间内Z的增加量等于Y和X的减少量,故v(X) +v(Y) = v(Z),B错误;升高温度可以增大反应①的速率,但是反应①的速率常数随温度升高增大的幅度小于反应②的,且反应②的速率随着c(Y)的增大而增大,因此,欲提高Y的产率,需提高反应温度且控制反应时间,C正确;由图b信息可知,温度低于T1时,k1>k2,反应②为慢反应,因此,总反应速率由反应②决定,D正确。
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第一节 化学反应速率
6.(2024·枣庄模拟)丙酮的碘代反应CH3COCH3+I2―→CH3COCH2I+HI的速率方程为v=kcm(CH3COCH3)·cn(I2),其半衰期(当剩余反应物恰好是起始的一半时所需的时间)为,其中k为速率常数。
(1)在保持酸性不变的条件下,改变下列条件时,反应的瞬时速率如表所示。
序号 温度 c(CH3COCH3)/(mol·L-1) c(I2)/(mol·L-1) v/(10-3 mol·L-1· min-1)
1 T1 0.25 0.050 1.4
2 T1 0.50 0.050 2.8
3 T1 1.00 0.050 5.6
4 T1 0.50 0.100 2.8
5 T2 0.50 0.100 vx
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第一节 化学反应速率
①下列关于速率常数k的说法正确的是________(填标号)。
A.速率常数k只受温度影响
B.加入催化剂,可使k增大
C.可逆反应中的正、逆反应速率常数k正和k逆相等
②当T2>T1时,vx____(填“大于”“小于”或“等于”)2.8 mol·L-1·min-1。
③速率方程中:m=_______;n=________;k=________。
(2)若T1时,c(I2)、c(CH3COCH3)的起始浓度依次是0.01 mol·L-1、0.1 mol·
L-1。当c(I2)的浓度降低为原来一半时,反应速率将________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)在过量的I2存在时,反应掉75%的CH3COCH3所需的时间是________min。
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第一节 化学反应速率
解析:(1)①速率常数k只受温度影响,与浓度无关,加入催化剂,k不变,A正确,B错误;k正、k逆是两个不同的常数,k正是描述v正的,k逆是描述v逆的,二者不相等,C错误。②对比实验4和实验5,当T2>T1时,温度升高反应速率增大,vx大于2.8×10-3 mol·L-1· min-1。③对比实验1和实验2,c(CH3COCH3)增大一倍,v增大一倍,由v=kcm(CH3COCH3)·cn(I2)可知,m=1;对比实验2和实验4,c(I2)增大一倍,v不变,由v=kcm(CH3COCH3)·cn(I2)可知,n=0;反应开始时只充入CH3COCH3和I2,代入表中任意一组实验数据得k=5.6×10-3
min-1。(2)由v=kc(CH3COCH3)知,瞬时速率与I2的浓度无关,当c(I2)的浓度降低为原来一半时,反应速率不变。(3)经历一个半衰期所需时间为==125 min,反应掉75%的CH3COCH3,相当于该反应经历了2个半衰期,所需的时间是125 min×2=250 min。
答案:(1)①A ②大于 ③1 0 5.6×10-3 min-1 (2)不变 (3)250
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第一节 化学反应速率
(1)速率方程
简单反应的反应速率与反应物浓度以化学计量数为指数的幂的乘积成正比,例如,A―→产物,v=kc(A);A+B―→产物,v=kc(A)·c(B);2A―→产物,v=kc2(A)。
(2)速率常数
速率方程式中的k即为速率常数,其数值等于反应物的浓度为1 mol·L-1时的速率值。它只与温度有关,与反应物浓度无关。
归纳总结
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第一节 化学反应速率
“控制变量法”探究反应速率的影响因素
考向1| 单一变量影响化学反应速率
1.已知化学反应2NO(g)+O2⥫⥬2NO2(g),在其他条件相同时,测得实验数据如图所示。下列说法正确的是( )
A.相同条件下化学反应速率随时间越来越大
B.相同条件下压强越大,化学反应速率越大
C.相同条件下温度越高,化学反应速率越大
D.在0.1 MPa、90 ℃条件下,反应20 s时达到化学平衡状态
√
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第一节 化学反应速率
B 解析:相同条件下,随时间延长各曲线斜率越来越小,说明化学反应速率越来越小,A错误;相同条件下,压强越大,曲线斜率越大,化学反应速率越大,B正确;根据图像可知,0.8 MPa、90 ℃对应的曲线比0.8 MPa、30℃对应的曲线斜率小,说明温度越高,化学反应速率越小,C错误;在0.1 MPa、90 ℃条件下,反应20 s之后NO的转化率随时间变化未知,不能说明反应达到化学平衡状态,D错误。
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第一节 化学反应速率
2.(2021·辽宁卷)某温度下,降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合,反应物浓度与催化剂浓度及时间关系如图所示。已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期。下列说法错误的是( )
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第一节 化学反应速率
A.其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应速率越大
B.其他条件相同时,降冰片烯浓度越大,反应速率越大
C.条件①,反应速率为0.012 mol·L—1·min—1
D.条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为62.5 min
B 解析:由图中曲线①②可知,其他条件相同时,催化剂浓度越大,反应所需要的时间越短,反应速率越大,A正确;由图中曲线①③可知,其他条件相同时,降冰片烯的浓度①是③的两倍,所用时间①也是③的两倍,反应速率相等,故说明反应速率与降冰片烯浓度无关,B错误;由图中数据可知,条件①,反应速率v==0.012 mol·L—1·min—1,C正确;反应物消耗一半所需的时间称为半衰期,由图中数据可知,条件②,降冰片烯起始浓度为3.0 mol·L-1时,半衰期为125 min÷2=62.5 min,D正确。
√
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第一节 化学反应速率
考向2| 多变量对化学反应速率的影响
3.已知:2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===2MnSO4+K2SO4+10CO2↑+8H2O。某化学小组欲探究H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响,进行了如下实验(忽略溶液体积变化)。下列说法不正确的是( )
编
号 0.01 mol·L-1酸性KMnO4溶液体积/mL 0.1 mol·L-1
H2C2O4溶液体积/mL 水的
体积/mL 反应
温度/℃ 反应
时间/min
Ⅰ 2 2 0 20 2.1
Ⅱ V1 2 1 20 5.5
Ⅲ V2 2 0 50 0.5
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第一节 化学反应速率
A.V1=1,V2=2
B.设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响
C.实验计时是从溶液混合开始,溶液呈紫红色时结束
D.实验Ⅲ中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)=0.01 mol·L-1·min-1
√
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第一节 化学反应速率
C 解析:实验Ⅰ和实验Ⅱ反应温度相同,实验Ⅱ中加入1 mL水,根据控制变量的原则,溶液总体积应保持不变,因而V1=1,类比分析可得V2=2,A正确;实验Ⅰ、Ⅲ的温度不同,其他条件相同,设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响,B正确;酸性KMnO4溶液呈紫红色,由表中数据可知,H2C2O4溶液过量,KMnO4可反应完全,因而可以用颜色变化来判断反应终点,即实验计时是从溶液混合开始,溶液紫红色刚好褪去时结束,C错误;根据实验Ⅲ中有关数据可知,Δc(KMnO4)==0.005
mol·L-1,v(KMnO4)==0.01 mol·L-1·min-1,D正确。
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第一节 化学反应速率
4.(2022·浙江6月选考)恒温恒容的密闭容器中,在某催化剂表面上发生氨的分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g),测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化,如下表所示。下列说法不正确的是( )
编
号 时间/min
c(NH3)/
(10-3mol·L-1)
表面积/cm2 0 20 40 60 80
① a 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80
② a 1.20 0.80 0.40 x
③ 2a 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40
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第一节 化学反应速率
A.实验①,0~20 min,v(N2)=1.00×10-5 mol·L-1· min-1
B.实验②,60 min时处于平衡状态,x≠0.40
C.相同条件下,增加氨气的浓度,反应速率增大
D.相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大
C 解析:实验①中,0~20 min,Δc(NH3)=2.40×10-3 mol·L-1-2.00×10-3 mol·L-1=4.00×10-4 mol·L-1,则Δc(N2)=2.00×10-4 mol·L-1,v(N2)==1.00×10-5 mol·L-1·min-1,A正确;催化剂表面积大小只影响反应速率,不影响平衡,实验③中氨气初始浓度与实验①中一样,实验③达到平衡时氨气浓度为4.00×10-4 mol·L-1,则实验①达平衡时氨气浓度也为4.00
√
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第一节 化学反应速率
×10-4 mol·L-1,而恒温恒容条件下,实验②相对于实验①为减小压强,平衡正向移动,因此实验②中60 min时处于平衡状态,即x≠0.40,B正确;实验①和实验②催化剂表面积相同,实验①中氨气初始浓度是实验②中氨气初始浓度的两倍,0~20 min、20~40 min氨气浓度变化量都是4.00×10-4 mol·L-1,相同条件下,增加氨气浓度,反应速率并没有增大,C错误;对比实验①和实验③,氨气初始浓度相同,实验③中催化剂表面积是实验①中催化剂表面积的两倍,实验③先达到平衡状态,实验③的反应速率大,说明相同条件下,增加催化剂的表面积,反应速率增大,D正确。
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第一节 化学反应速率
方法规律
“控制变量法”解答化学反应速率问题
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第一节 化学反应速率
考向3| 数据分析型影响因素
5.用氢气还原氮氧化物的反应为2H2+2NO===2H2O+N2,该反应速率与反应物浓度之间满足下面的关系:v=kcm(H2)·cn(NO),其中k是一个常数,m、n的值可由实验测定。科研团队测定了该反应在不同投料关系时N2的起始反应速率,数据列于下表。下列说法正确的是( )
实验
编号 起始浓度/(10-3 mol·L-1) v(N2)/(10-3
mol·L-1·s-1)
NO H2
1 6.00 1.00 3.19
2 6.00 2.00 6.38
3 1.00 6.00 0.48
4 2.00 6.00 1.92
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第一节 化学反应速率
A.m=2、n=1
B.实验2中NO的平均反应速率约为1.28×10-3 mol·L-1·s-1
C.反应达到最大限度时,NO和H2的浓度之比为2∶1
D.与H2相比,NO浓度的变化对反应速率影响更为显著
D 解析:由实验1、2可知=,m=1,由实验3、4可知=,n=2,A错误;实验2中NO的平均反应速率为6.38×10-3 mol·L-1·s-1×2≈1.28×10-2 mol·L-1·s-1,B错误;反应达平衡时,NO和H2的浓度之比与投料比和两者在反应中的化学计量数有关,不一定是2∶1,C错误;由幂的数值n大于m可知,与H2相比,NO浓度的变化对反应速率影响更为显著,D正确。
√
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第一节 化学反应速率
6. (2024·德州模拟)(双选)一定条件下,反应H2(g)+Br2(g)===2HBr(g)的速率方程为v=kcα(H2)·cβ(Br2)·cγ(HBr),某温度下,该反应在不同浓度下的反应速率如表所示。根据表中的测定结果,下列结论错误的是( )
c(H2)/(mol·L-1) c(Br2)/(mol·L-1) cHBr/(mol·L-1) 反应速率
0.1 0.1 2 v
0.1 0.4 2 8v
0.2 0.4 2 16v
0.4 0.1 4 2v
0.2 0.1 c 4v
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第一节 化学反应速率
A.表中c的值为4
B.α、β、γ的值分别为1、2、-1
C.反应体系的三种物质中,Br2(g)的浓度对反应速率影响最大
D.在反应体系中保持其他物质浓度不变,增大HBr(g)浓度,会使反应速率降低
√
√
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第一节 化学反应速率
AB 解析:速率方程为v=kcα(H2)·cβ(Br2)·cγ(HBr),将表格中前四组数据代入速率方程得,①v=k×0.1α×0.1β×2γ、②8v=k×0.1α×0.4β×2γ、③16v=k×0.2α×0.4β×2γ、④2v=k×0.4α×0.1β×4γ,由①②得到β=,②③得到α=1,代入①④得到γ=-1,对比第1、5组数据,将α=1,β=,γ=-1代入,解得c=1,A、B错误;v=kcα(H2)·cβ(Br2)·cγ(HBr),α、β、γ的值分别为1、、-1,则速率与Br2(g)和H2(g)的浓度成正比,与HBr(g)的浓度成反比,反应体系的三种物质中,Br2(g)的浓度对反应速率影响最大,C正确;γ=-1,增大HBr(g)浓度,cγ(HBr)减小,在反应体系中保持其他物质浓度不变,会使反应速率降低,D正确。
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第一节 化学反应速率
归纳总结
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第一节 化学反应速率
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