第2章 第1节 新知探究课4 化学反应速率及有关计算-【名师导航】2023-2024学年高中化学选择性必修1同步讲义(人教版2019)

第一节　化学反应速率 新知探究课4　化学反应速率及有关计算 1．了解化学反应速率的概念，掌握化学反应速率的简单计算，培养“证据推理与模型认知”的化学核心素养。 2．学会化学反应速率的测定方法，会比较化学反应速率的快慢，培养“科学探究与创新意识”的化学核心素养。 一、化学反应速率 1．概念：化学反应速率是定量描述化学反应进行快慢的物理量。如果反应体系的体积是恒定的，则通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增大来表示。 2．数学表达式为v＝或v＝。 3．常用单位是mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1。 4．化学反应速率与化学计量数之间的关系 对于一个化学反应：mA＋nB===pC＋qD，用不同物质表示的反应速率其关系是v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q，或＝＝＝。即同一化学反应用不同物质表示的反应速率可能不同，但表示的意义可能相同。 微点拨：①一般来说，随着反应的逐渐进行，反应物浓度会逐渐减小，化学反应速率也会逐渐减慢。因此，化学反应速率通常是指某一段时间内的平均反应速率，而不是瞬时反应速率。②由于在反应中纯液体和固体的浓度是恒定不变的，因此对于有纯液体或固体参加的反应一般不用纯液体或固体的浓度来表示化学反应速率。 二、化学反应速率的测定 　根据化学反应速率表达式，实验中需要测定不同反应时刻反应物(或生成物)的浓度。实际上，任何一种与物质浓度有关的可观测量都可以加以利用，如气体的体积、体系的压强、颜色的深浅、光的吸收、导电能力等。 判一判　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减小或任何一种生成物浓度的增大。 (　×　) (2)对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显。 (　×　) (3)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1是指1 s 时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。 (　×　) (4)由v＝计算平均速率，用反应物表示时为正值，用生成物表示时为负值。 (　×　) (5)把乙烯通入一定体积、一定浓度的溴水中，根据溴水褪色所需时间，可以确定该反应的反应速率。 (　√　) (6)通过测定铝条在一定体积稀盐酸中反应一段时间内产生的气体体积(标准状况下)，可以确定该时间段内的反应速率。 (　√　) 化学反应速率的有关计算 在2 L密闭容器中进行反应：mX(g)＋nY(g)⥫⥬pZ(g)＋qQ(g)，式中m、n、p、q为物质的化学计量数。在0～3 min内，各物质物质的量的变化如下表所示： 　　　物质 时间　　　 X Y Z Q 起始/mol 0.7 1 2 min末/mol 0.8 2.7 0.8 2.7 3 min末/mol 0.8 已知：2 min内v(Q)＝0.075 mol·L-1·min-1，＝。 [问题1]　2 min内Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(Z)∶Δn(Q)为多少？m、n、p、q为多少？ [提示]　Δn(X)＝0.1 mol，Δn(Z)＝0.2 mol，ΔQ＝0.075×2×2 mol＝0.3 mol，Δn(Y)＝0.2×2 mol＝0.4 mol，故Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(Z)∶Δn(Q)＝1∶4∶2∶3，m＝1，n＝4，p＝2，q＝3。 [问题2]　2 min内用X、Y、Z表示的反应速率分别为多少？ [提示]　v(X)＝v(Q)＝0.025 mol·L-1·min-1、 v(Y)＝v(Q)＝0.1 mol·L-1·min-1、 v(Z)＝v(Q)＝0.05 mol·L-1·min-1。 [问题3]　起始时Y与Q的物质的量分别为多少？ [提示]　n(Y)＝(2.7－0.4)mol＝2.3 mol，n(Q)＝(2.7＋0.3)mol＝3.0 mol。 [问题4]　3 min末X的物质的量浓度为多少？ [提示]　c(X)＝＝0.4 mol·L-1。 　化学反应速率的计算方法 (1)利用基本公式：v＝＝。 (2)利用速率之比＝化学计量数之比＝各物质浓度的变化量(Δc)之比＝各物质物质的量的变化量(Δn)之比。 (3)“三段式”法计算模板 例如：反应　　　　　　mA＋nB⥫⥬pC 起始浓度/(mol·L-1) a b c 转化浓度/(mol·L-1) x t时刻浓度/(mol·L-1) a－x b－ c＋ ①v(A)＝，v(B)＝，v(C)＝； ②α(A)＝×100%。 题点1　化学反应速率的计算 1．在2 L密闭容器中充入一定量的SO2和O2，化学方程式是2SO2＋O2⥫⥬2SO3。经测定反应开始后3 s末O2的物质的量减小了1.5 mol，则前3 s内SO2的平均反应速率为(　　) A．0.25 mol·L-1·s-1 B．0.5 mol·L-1·s-1 C．0.75 mol·L-1·s-1 D．0.83 mol·L-1·s-1 B　[v(O2)＝＝0.25 mol·L-1·s-1，v(O2)∶v(SO2)＝1∶2，故v(SO2)＝2v(O2)＝2×0.25 mol·L-1·s-1＝0.5 mol·L-1·s-1。] 2．一定温度下，在2 L的密闭容器中，X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。下列说法正确的是(　　) A．反应开始到10 s时，用Z表示的反应速率为0.158 mol·L-1·s-1 B．反应开始到10 s时，X的物质的量浓度减少了0.79 mol·L-1 C．反应到达10 s时，c(Y)＝0.105 mol·L-1·s-1 D．反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)⥫⥬2Z(g) D　[由题图可知，由0～10 s，n(X)由1.20 mol减少到0.41 mol，n(Y)由1.00 mol减少到0.21 mol，n(Z)由0增加到1.58 mol，故v(Z)＝1.58 mol÷2 L÷10 s＝0.079 mol·L-1·s-1，A项错误；反应开始到10 s时，X的物质的量浓度减少了＝0.395 mol·L-1，B项错误；10 s时，c(Y)＝＝0.105 mol·L-1，单位有误，C项错误；相同时间内X、Y、Z的物质的量的变化值之比为0.79 mol∶0.79 mol∶1.58 mol＝1∶1∶2，故反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)⥫⥬2Z(g)，D项正确。] 3．(2023·齐齐哈尔月考)将等物质的量的A、B混合于2 L的密闭容器中发生反应3A(g)＋B(g)⥫⥬xC(g)＋D(g)，4 min后，测得c(D)＝0.4 mol·L-1，c(A)∶c(B)＝3∶5，v(C)＝0.1 mol·L-1·min-1。下列说法错误的是(　　) A．4 min末时，c(A)＝0.6 mol·L-1 B．0～4 min内，v(B)＝0.1 mol·L-1·min-1 C．x＝1 D．起始时，c(A)＝2.4 mol·L-1 A　[Δc(C)＝0.1 mol·L-1·min-1×4 min＝，列三段式如下： 3A(g)＋B(g)⥫⥬xC(g)＋D(g) c始 c c 0 0 Δc Δc(A) Δc(B) 0.4 Δc(D) c 4 min c(A) c(B) 0.4 0.4 根据题意知Δc(D)＝0.4 mol·L-1，Δc(A)＝1.2 mol·L-1，Δc(B)＝0.4 mol·L-1；(c－1.2)∶(c－0.4)＝3∶5，故c＝2.4 mol·L-1。] 题点2　化学反应速率的大小比较 4．(2023·重庆月考)反应A(g)＋3B(g)===2C(g)＋2D(g)在四种不同情况下的反应速率如下，则该反应在不同情况下进行的快慢顺序为(　　) ①v(A)＝0.15 mol·L-1·min-1 ②v(B)＝0.60 mol·L-1·min-1 ③v(C)＝0.40 mol·L-1·min-1 ④v(D)＝0.01 mol·L-1·s-1 A．④＞③＞②＞① B．①＞④＞②＞③ C．④＞③＝②＞① D．①＞④＞③＞② C　[首先，将反应速率的单位统一为mol·L-1·min-1，则④v(D)＝60×0.01 mol·L-1·min-1＝0.60 mol·L-1·min-1。 方法一：将用不同物质表示的反应速率换算为用同一物质表示的速率，再比较反应速率数值的大小，①v(A)＝0.15 mol·L-1·min-1，②v(A)＝×0.60 mol·L-1·min-1＝0.20 mol·L-1·min-1，③v(A)＝×0.40 mol·L-1·min-1＝0.20 mol·L-1·min-1，④v(A)＝×0.60 mol·L-1·min-1＝0.30 mol·L-1·min-1，所以该反应进行的快慢顺序为④＞③＝②＞①。 方法二：同一化学反应中，不同物质的化学反应速率与其化学计量数的比值越大，对应的化学反应速率越大，①v(A)＝0.15 mol·L-1·min-1，②＝0.20 mol·L-1·min-1，③＝0.20 mol·L-1·min-1，④＝0.30 mol·L-1·min-1，所以该反应进行的快慢顺序为④＞③＝②＞①。C项正确。] 化学反应速率的大小比较方法 比较前要注意单位统一，常用方法有： ①归一法：以一种物质为标准，将用其他物质表示的反应速率转换成用选做标准的物质表示的反应速率，然后直接比较数值的大小，数值大者反应速率大。 ②比值法：通过各物质表示的反应速率与其对应的化学计量数的比值进行比较，比值大者反应速率大。 1．化学反应速率一般指单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增大，为正值，常用单位是mol/(L·S)等。 2．同一化学反应中，不同物质表示的反应速率之比等于各物质的化学计量数之比。 1．下列说法不正确的是(　　) A．化学反应速率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来表示 B．用不同物质的浓度变化表示同一时间内同一反应的速率时，其数值之比等于反应方程式中对应物质的化学计量数之比 C．化学反应速率的单位通常由时间单位和物质的量浓度的单位决定 D．在化学反应过程中，反应物的浓度逐渐变小，所以用反应物表示的化学反应速率为负值 [答案]　D 2．在一密闭容器中充入一定量的H2和N2，经测定反应开始后3 s内v(N2)＝0.15 mol·L-1·s-1，则3 s末NH3的浓度为(　　) A．0.4 mol·L-1 B．0.6 mol·L-1 C．0.9 mol·L-1 D．1.2 mol·L-1 C　[发生反应N2＋3H2⥫⥬2NH3，3 s内氮气的平均速率：v(N2)＝0.15 mol·L-1·s-1，速率之比等于化学计量数之比，则v(NH3)＝2v(N2)＝2×0.15 mol·L-1·s-1＝0.3 mol·L-1·s-1，故3 s末NH3的浓度为0.3 mol·L-1·s-1×3 s＝0.9 mol·L-1。] 3．反应4A(g)＋3B(g)===2C(g)＋5D(g)在四种不同条件下的反应速率分别为 ①v(A)＝0.02 mol·L-1·s-1；②v(B)＝0.6 mol·L-1·min-1；③v(C)＝0.3 mol·L-1·min-1；④v(D)＝1.2 mol·L-1·min-1。 其中表示该反应速率最慢的是(　　) A．①　　　B．②　　　C．③　　　D．④ C　[＝ mol·L-1·s-1＝0.3 mol·L-1·s-1，＝ mol·L-1·s-1＝0.2 mol·L-1·s-1，＝ mol·L-1·s-1＝0.15 mol·L-1·s-1，＝＝0.24 mol·L-1·s-1，值最小，表示的反应速率最慢，C正确。] 4．(实验素材)某温度下按如图装置进行实验，锥形瓶内盛有6.5 g锌粒(颗粒大小基本相同)，通过分液漏斗加入40 mL 2.5 mol·L-1的硫酸溶液，将产生的H2收集在一个注射器中，用时10 s时恰好收集到气体的体积为50 mL(折合成0 ℃、101 kPa条件下的H2体积为44.8 mL)，在该温度下，下列说法不正确的是(　　) A．用锌粒表示的10 s内该反应的速率为0.013 g·s-1 B．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用H＋表示的10 s内该反应的速率为0.01 mol·L-1·s-1 C．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用Zn2+表示的10 s内该反应的速率为0.01 mol·L-1·s-1 D．用H2表示的10 s内该反应的速率为0.000 2 mol·s-1 C　[0 ℃、101 kPa条件下，H2的体积为44.8 mL，其物质的量为0.002 mol，则根据Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑反应可知：Zn～H2SO4～ZnSO4～H2，|Δn(Zn)|＝|Δn(H2SO4)|＝|Δn(ZnSO4)|＝|Δn(H2)|＝0.002 mol；|Δm(Zn)|＝0.002 mol×65 g·mol-1＝0.13 g，v(Zn)＝＝0.013 g·s-1，v(H＋)＝＝0.01 mol·L-1·s-1，v(Zn2+)＝＝0.005 mol·L-1·s-1，v(H2)＝＝0.000 2 mol·s-1。] 5．(情境素材)已知反应aA(g)＋bB(g)⥫⥬cC(g)，某温度下，在2 L密闭容器中投入一定量的A、B，两种气体的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。 (1)从反应开始到12 s时，用A的浓度变化表示的反应速率为________。 (2)经测定，前4 s内v(C)＝0.05 mol·L-1·s-1，则该反应的化学方程式为____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。 (3)请在图中将生成物C的物质的量浓度随时间的变化曲线绘制出来。 [解析]　(1)v(A)＝＝0.05 mol·L-1·s-1。 (2)前4 s内，Δc(A)＝0.8 mol·L-1－0.5 mol·L-1＝0.3 mol·L-1，v(A)＝0.3 mol·L-1÷4 s＝0.075 mol·L-1·s-1；v(A)∶v(C)＝a∶c＝0.075 mol·L-1·s-1∶0.05 mol·L-1·s-1＝3∶2；由图像知，0～12 s内Δc(A)∶Δc(B)＝＝3∶1＝a∶b，则a∶b∶c＝3∶1∶2，所以该反应的化学方程式为3A(g)＋B(g)⥫⥬2C(g)。 (3)生成物C的浓度从0开始增加，到12 s时达到最大，Δc(A)∶Δc(C)＝3∶2，所以Δc(C)＝0.6 mol·L-1×＝0.4 mol·L-1；根据题图中两条曲线的交点以及化学方程式，可知交点处A和B的物质的量浓度均为0.35 mol·L-1，则此时C的物质的量浓度为0.3 mol·L-1，由此可确定C的变化曲线。 [答案]　(1)0.05 mol·L-1·s-1 (2)3A(g)＋B(g)⥫⥬2C(g) (3) 新知探究课固基练(四)　化学反应速率及有关计算 1．(2023·郑州月考)下列说法正确的是(　　) A．化学反应速率既有正值，又有负值 B．化学反应速率表示的是瞬时速率 C．对于同一化学反应，选用不同的物质表示化学反应速率时，其数值可能相同 D．化学反应速率仅适用于可逆反应，不适用于非可逆反应 C　[化学反应速率的数值均为正值，A项错误；化学反应速率表示的是平均速率而不是瞬时速率，B项错误；化学反应速率适用于所有的化学反应，D项错误。] 2．在密闭容器中A与B反应生成C，其反应速率分别用vA、vB、vC表示，已知：vA＝3vB、2vA＝3vC，则此反应可表示为(　　) A．2A＋3B===2C B．A＋3B===2C C．3A＋B===2C D．A＋B===C C　[根据vA＝3vB、2vA＝3vC，可推出＝＝，故A、B、C的化学计量数之比为3∶1∶2。] 3．在一个10 L的密闭容器中，发生反应：H2(g)＋I2(g)⥫⥬2HI(g)，起始加入H2的物质的量为2 mol，I2的物质的量为5 mol，5 s后，HI的物质的量为0.5 mol，则这5 s内H2的反应速率为(　　) A．0.04 mol·L-1·s-1 B．0.005 mol·L-1·s-1 C．0.01 mol·L-1·s-1 D．0.1 mol·L-1·s-1 B　[生成HI 0.5 mol，需消耗H2 0.25 mol，则5 s内H2的反应速率为v(H2)＝＝0.005 mol·L-1·s-1。] 4．在反应A⥫⥬2B中，A、B的浓度变化如图所示，则2 min内的平均反应速率为(　　) A．v(A)＝9 mol·L-1·min-1 B．v(A)＝4.5 mol·L-1·s-1 C．v(B)＝18 mol·L-1·min-1 D．v(B)＝9 mol·L-1·min-1 D　[由题图可知2 min内Δc(A)＝18 mol·L-1－9 mol·L-1＝9 mol·L-1，Δc(B)＝18 mol·L-1，所以v(A)＝＝＝4.5 mol·L-1·min-1；v(B)＝＝＝9 mol·L-1·min-1，故D正确。] 5．下列测量化学反应速率的依据不可行的是 (　　) 选项 化学反应 测量依据(单位时间内) A 2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g) 温度、压强一定时，气体体积变化 B Na2SO4＋BaCl2===BaSO4↓＋2NaCl 沉淀质量变化 C CO(g)＋H2O(g)⥫⥬H2(g)＋CO2(g) 温度、体积一定时，体系压强变化 D H2O2＋2HI===2H2O＋I2 溶液体积一定时，I－的浓度变化 C　[CO(g)＋H2O(g)⥫⥬H2(g)＋CO2(g)反应是分子数保持不变的反应，所以反应过程中气体的压强始终保持不变，测量依据不可行，C项符合题意。] 6．在一定体积容器中发生反应：2CH4(g)＋2NH3(g)＋3O2(g)===2HCN(g)＋6H2O(g)，15分钟内测得反应速率用HCN表示为v(HCN)＝0.36 mol·L-1·min-1，该段时间内下列表示正确的是(　　) A．15分钟内反应消耗氨气5.4 mol B．该时间内可用水表示反应速率为v(H2O)＝1.08 mol·L-1·min-1 C．各物质的速率关系：2v(CH4)＝2v(NH3)＝3v(O2) D．15分钟内氧气浓度下降到8.1 mol·L-1 B　[15分钟内生成HCN的物质的量浓度为0.36 mol·L-1·min-1×15 min＝5.4 mol·L-1，由反应可知消耗氨气5.4 mol·L-1，体积未知不能计算其物质的量， A错误；速率之比等于化学计量数之比，则该时间内可用水表示反应速率为v(H2O)＝0.36 mol·L-1·min-1×＝1.08 mol·L-1·min-1，B正确； 3v(CH4)＝3v(NH3)＝2v(O2)，C错误；氧气与HCN的化学计量数之比为3∶2，则15分钟内氧气浓度减少5.4 mol·L-1×＝8.1 mol·L-1，初始浓度未知，不能确定15 min时浓度， D错误。] 7．反应A(g)＋3B(g)⥫⥬2C(g)＋2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为 ①v(A)＝0.45 mol·L-1·s-1、②v(B)＝0.6 mol·L-1·s-1、③v(C)＝0.4 mol·L-1·s-1、④v(D)＝0.45 mol·L-1·s-1，该反应进行的快慢顺序为(　　) A．①＞③＝②＞④ B．①＞②＝③＞④ C．②＞①＝④＞③ D．①＞④＞②＝③ D　[同一化学反应中，在单位相同条件下，化学反应速率与其化学计量数的比值越大，该反应速率越快，①＝ mol·L-1·s-1＝0.45 mol·L-1·s-1；②＝ mol·L-1·s-1＝0.2 mol·L-1·s-1；③＝ mol·L-1·s-1＝0.2 mol·L-1·s-1；④＝ mol·L-1·s-1＝0.225 mol·L-1·s-1，所以其反应速率快慢关系为①＞④＞②＝③。] 8．某温度时，在2 L密闭容器中，某一反应中A、B的物质的量随时间变化的曲线如图所示，由图中数据分析得： (1)在4 min末时，A、B的物质的量浓度c(A)________c(B)(填“＞”“＜”或“＝”)，0～4 min内A、B的物质的量浓度变化量Δc(A)________Δc(B)。 (2)从反应开始至4 min时，A的平均反应速率为________。 (3)该反应的化学方程式可表示为______________________________________ ____________________________________________________________________。 (4)反应至4 min时，反应物的转化率为________。 [解析]　(1)由题图可以看出，在4 min末n(A)＝n(B)＝0.4 mol，又因体积相等，所以c(A)＝c(B)，从0到4 min内Δc(A)＝0.2 mol·L-1，Δc(B)＝0.1 mol·L-1。(2)v(A)＝＝0.05 mol·L-1·min-1。(3)参加反应的各物质的物质的量之比为n(A)∶n(B)＝0.4 mol∶0.2 mol＝2∶1，4 min后的一段时间以后A、B的物质的量不再改变，证明该反应达到化学平衡，此反应为可逆反应。(4)α＝×100%＝50%。 [答案]　(1)＝　＞　(2)0.05 mol·L-1·min-1　(3)2A⥫⥬B　(4)50% 9．用纯净的CaCO3与100 mL稀盐酸反应制取CO2，实验过程记录如图所示(CO2的体积已折算为标准状况下的体积)。下列分析正确的是(　　) A．OE段表示的平均反应速率最快 B．EF段，用HCl表示该反应的平均反应速率为0.4 mol·L-1·min-1 C．OE、EF、FG三段中，该反应用二氧化碳表示的平均反应速率之比为2∶4∶1 D．反应的离子方程式为＋2H＋===CO2↑＋H2O BC　[A项，EF段表示的平均反应速率最快，错误；D项，CaCO3是沉淀，写离子方程式时不可拆分，错误。] 10．为了研究MnO2与双氧水(H2O2)的反应速率，某学生加入少许的MnO2粉末于50 mL密度为1.1 g·cm-3的双氧水溶液中，通过实验测定：在标准状况下放出气体的体积和时间的关系如图所示。 请依图回答下列问题： (1)放出一半气体所需要的时间为_________。 (2)A、B、C、D各点反应速率快慢的顺序是____________________。 (3)过氧化氢溶液的初始物质的量浓度为_________。 [解析]　(1)由图像可知，当放出一半气体时所需要的时间为1 min。 (2)反应物浓度大小决定反应速率大小，随着反应的进行，双氧水的浓度逐渐减小，反应速率也随着减小。(3)反应方程式为2H2O＋O2↑，该反应为不可逆反应，在5 min后，收集到的气体体积不再增加，说明过氧化氢完全分解，由图像可知，生成氧气的体积为60 mL， 2H2O22H2O＋O2↑ 2 mol 22.4 L n(H2O2) 0.06 L n(H2O2)＝≈0.005 36 mol， 所以c(H2O2)＝≈0.11 mol·L-1。 [答案]　(1)1 min　(2)D＞C＞B＞A　(3)0.11 mol·L-1 11．向2 L密闭容器中通入a mol气体A和b mol气体B，在一定条件下发生反应：xA(g)＋yB(g)⥫⥬pC(g)＋qD(g)。 已知：平均反应速率v(C)＝v(A)；反应2 min时，A的浓度减少了，B的物质的量减少了 mol，有a mol D生成。 回答下列问题： (1)反应2 min内，v(A)＝____________________________________________， v(B)＝____________。 (2)化学方程式中，x＝__________，y＝__________________________________， p＝__________，q＝__________。 (3)若反应达到平衡时，D为2a mol，则B的转化率为________。 [解析]　(1)根据化学反应速率定义：v(A)＝＝＝a mol·L-1·min-1，v(B)＝＝＝a mol·L-1·min-1。 (2)v(C)＝v(A)＝a mol·L-1·min-1，v(D)＝a mol·L-1·min-1，根据反应速率之比等于化学计量数之比，则x∶y∶p∶q＝∶∶∶＝2∶3∶1∶6，则x＝2，y＝3，p＝1，q＝6。 (3)　　2A(g)＋3B(g)⥫⥬C(g)＋6D(g) 起始/mol b 0 变化/mol a 2a 平衡/mol b－a 2a α(B)＝×100%。 [答案]　(1) mol·L-1·min-1　 mol·L-1·min-1　(2)2　3　1　6　(3)×100% 1/15 学科网（北京）股份有限公司 $$