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课标要点 核心素养
1.通过实验探究,了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响
2.能通过实验探究分析不同组分浓度改变对化学反应速率的影响,能用一定的理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响 1.变化观念与平衡思想 2.证据推理与模型认知 3.科学探究与创新意识
形成化学变化是有条件的观念,认识反应条件对化学反应速率的影响,能运用相关原理分析影响化学变化的因素,初步学会运用变量控制的方法研究化学反应 (1)能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型,能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题
(2)能依据证据从不同视角分析问题,推出合理的结论;能理解、描述和表示化学中常见的认知模型 能基于现象和数据进行分析并得出结论,交流自己的探究成果
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第2课时 影响化学反应速率的因素
[知识梳理]
[知识点一] 影响化学反应速率的因素
1.定性研究影响化学反应速率的因素
(1)探究浓度对反应速率的影响
原理
Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
实验
步骤
实验
现象
两支试管中的溶液均变 浑浊 ,滴加 0.5 mol·L-1 H2SO4溶液的试管先变浑浊
结论
若其他条件相同,增大反应物浓度,化学反应速率 增大 ;降低反应物浓度,化学反应速率 减小
(2)探究温度对化学反应速率的影响
原理
Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+H2O+S↓
实验
步骤
实验
温度
热水
冷水
出现黄色
浑浊的时
间
短
长
结论
若其他条件相同,升高温度,化学反应速率 增大 ;降低温度,化学反应速率 减小
(3)探究催化剂对化学反应速率的影响
原理
2H2O2eq \o(=====,\s\up17(MnO2),\s\do15( ))2H2O+O2↑
实验
步骤
实验
现象
余烬未复燃
余烬复燃
解释
H2O2分解缓慢
加入MnO2,H2O2
分解速率迅速
结论
催化剂可以改变化学反应速率
2.定量研究影响化学反应速率的因素
设计实验测定锌与稀硫酸反应的速率,按下列实验步骤完成实验:
ⅰ按如图所示安装装置,加入锌粒,然后快速加入40 mL 1 mol·L-1的稀硫酸,测量收集10 mL H2所用的时间。
ⅱ按图示再安装一套装置,加入与前一套装置相同的锌粒,然后再快速加入40 mL 4 mol·L-1的稀硫酸,测量收集10 mL H2所用的时间。
回答下列问题:
(1)实验所用仪器有哪些?
(2)观察到的现象是什么?
(3)你能得出的实验结论是什么?
(4)该实验中的注意事项有哪些?
答案:(1)锥形瓶、双孔塞、分液漏斗、直角导气管、50 mL注射器、铁架台、秒表。
(2)锌与稀硫酸反应产生气泡;收集10 mL气体②所用时间比①所用时间短。
(3)4 mol·L-1的硫酸与锌反应比1 mol·L-1的稀硫酸与锌反应快。
(4)①锌粒的颗粒(即表面积)大小基本相同。
②40 mL的稀硫酸溶液要迅速加入。
③装置气密性要好,且计时要迅速、准确。
微点拨:测量锌与稀硫酸反应速率的实验设计思路
[知识点二] 活化能
1.活化能与简单碰撞理论
(1)基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须互相接触发生碰撞。我们把能够发生化学反应的碰撞叫做 有效碰撞 。能量较高,能够发生有效碰撞的反应物分子叫做 活化分子 。
(2)化学反应一般需要一个活化的过程,即能发生反应的分子,必须是先 吸收 能量后形成活化分子。
(3)活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差,叫做反应的活化能。
(4)解释化学反应的过程
2.利用碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响
活化能大小主要是由反应物自身的性质决定的(改变外界条件也可以改变反应的活化能,如加入催化剂),即反应物自身的性质影响着化学反应所需的活化能,从而影响化学反应速率的大小。例如:活化能小→普通分子容易变成活化分子→活化分子百分数大→单位体积内活化分子数多→单位时间、单位体积内有效碰撞次数多→化学反应速率大(内因对化学反应速率的影响)。
条件变化
微观因素变化
化学
反应
速率
变化
分子
总数
活化分子
百分数
活化分
子数目
分子平
均运动
速率
单位体积
内活化分
子数目
有效
碰撞
浓度
增大
增加
不变
增加
不变
增加
增加
加快
压强
增大
不变
不变
不变
不变
增加
增加
加快
温度
升高
不变
增加
增加
增加
增加
增加
加快
催化剂
使用
不变
增加
增加
不变
增加
增加
加快
[自我评价]
1.判断对错(对的在括号内打“√”,错的在括号内打“×”)
(1)向一堆篝火中“鼓风”,有利于它继续燃烧下去。( √ )
(2)二氧化锰在过氧化氢的分解前后质量减少。( × )
(3)升高温度能加快吸热反应速率,减慢放热反应速率。( × )
(4)反应C2H4(g)+eq \f(1,2)O2(g)eq \o(――→,\s\up17(催化剂),\s\do15( ))和C2H4(g)+3O2(g)―→2CO2+2H2O(g)体现了催化剂的选择性。( √ )
(5)化学反应达到最大限度时,正逆反应速率也达到最大且相等。( × )
解析:(2)催化剂在反应前后质量不变。
(3)升高温度,吸热反应和放热反应的反应速率均加快。
(5)化学反应达到最大限度时,正逆反应速率不一定达到最大。
2.想一想
(1)化学反应速率与参与反应的物质的浓度的关系式是怎样得到的?应注意什么?
提示:一个化学反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式是根据实验测定的结果,不能随意根据反应的化学方程式直接写出。对于很多反应,这种关系式中浓度的方次与化学方程式中的系数并无确定关系。
(2)增大压强,化学反应速率一定增大吗?
提示:不一定,对于只涉及固体和液体的反应,压强的改变对化学反应速率几乎没影响。
(3)活化分子间的碰撞一定能发生化学反应吗?
提示:不一定。活化分子需要在合适的取向上碰撞才能发生化学反应。
外界条件对化学反应速率的影响
(素养养成——科学探究与创新意识)
[情境素材]
以下是投篮球的三种情况:第一种,能量不够;第二种,方向不合适;第三种,足够的能量和合适的方向。化学反应也有类似的情况,碰撞理论认为改变外界条件可使单位体积内的活化分子数改变,从而使反应速率改变。
[思考探究]
1.为什么增大反应物的浓度会影响化学反应速率呢?
提示:其他条件不变,当增大反应物的浓度时,单位体积内活化分子的数量增加,有效碰撞的几率增大,导致化学反应速率增大。
2.增大压强一定能增大反应速率,减小压强一定能减小反应速率吗?为什么?如何理解“改变体系压强可改变反应速率”?
提示:其他条件不变时,增大压强不一定增大反应物的浓度,单位体积内活化分子的数量不一定增加,有效碰撞的几率不一定增大,反应速率不一定增大。其他条件不变时,减小压强不一定减小反应物的浓度,单位体积内活化分子的数量不一定减少,有效碰撞的几率不一定减小,反应速率不一定减小。所以,只有改变了压强,导致反应物浓度改变时,才能改变化学反应速率。
3.为什么温度的变化会影响化学反应速率?
提示:在其他条件不变时,升高温度,可以使反应物分子能量增大,一部分原来能量较低的普通分子变成活化分子,使活化分子百分数增加,有效碰撞次数增多,化学反应速率增大。
4.催化剂对化学反应速率的影响有何特点?
提示:不同的催化剂对化学反应速率的催化效果不同,但对正逆化学反应速率影响程度相同。
5.用有效碰撞理论解释为什么使用合适的催化剂能增大化学反应速率?催化剂对正、逆反应的反应速率的改变程度是否相同?
提示:使用合适的催化剂,能降低反应的活化能,使更多的反应物分子变成活化分子,从而增大了单位体积内反应物分子中活化分子的数目,有效碰撞次数增多,反应速率增大。催化剂能同等程度地改变正、逆反应的反应速率。
[核心突破]
1.浓度对化学反应速率的影响
(1)规律:其他条件相同时,增大反应物浓度,反应速率增大,减小反应物浓度,反应速率减小。此规律只适用于气体或溶液的反应,对于纯固体或纯液体的反应物,一般情况下其浓度是常数,因此改变它们的量不会改变化学反应速率。但固体反应物表面积越大,反应速率越大。
(2)原因分析:
①增大反应物浓度→单位体积内活化分子数增多→有效碰撞次数增加→反应速率增大;
②减小反应物浓度→单位体积内活化分子数减少→有效碰撞次数减少→反应速率减小。
2.压强对化学反应速率的影响(适用范围:有气体参与的化学反应)
(1)对于固体或液体,压强的变化,基本不影响其浓度,也不影响其反应速率。
(2)恒容时充入“无关气体”,容器总压强增大,但各反应物的浓度不变,反应速率不变。
(3)恒压时充入“无关气体”,引起体积增大,各反应物浓度减小,反应速率减慢。
(4)原因分析;
①增大压强→单位体积内活化分子数增多→有效碰撞次数增加→反应速率加快;②减小压强→单位体积内活化分子数减少→有效碰撞次数减少→反应速率减慢。
3.温度对化学反应速率的影响
温度升高反应速率增大;温度降低反应速率减小。原因是升高温度→活化分子百分数提高→有效碰撞的次数增加→化学反应速率加快。
4.催化剂对反应速率的影响
加入合适的催化剂→使发生反应所需的活化能降低(如图所示,图中实线和虚线分别表示无催化剂和有催化剂的反应过程,反应物和生成物的能量与活化能的关系)→反应体系中含有的活化分子百分数提高→有效碰撞次数增加→反应速率增大。
[典例示范]
[典例1] 已知反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的能量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.常温下,向体积为V L的容器中充入2 mol HI(g)充分反应,可吸收12.5 kJ的热量
B.加入催化剂,分子的能量不变,但单位体积内活化分子数增多,反应速率加快
C.其他条件不变,升高温度,反应速率加快,HI的分解率不变
D.H2(g)+I2(g)2HI(g)的活化能为12.5 kJ·mol-1
解析:B [该反应为可逆反应,充入2 mol HI(g)充分反应,反应不能进行到底,所以吸收的热量小于12.5 kJ,A错误;加入催化剂,单位体积内活化分子数增多,有效碰撞增多,反应速率加快,B正确;从题图可知,该反应为吸热反应,其他条件不变,升高温度,反应速率加快,平衡右移,HI的分解率增大,C错误;由题图分析可知,H2(g)+I2(g)2HI(g)的活化能Ea=(185-12.5) kJ·mol-1=172.5 kJ·mol-1,D错误。]
[归纳总结] 温度、压强对化学反应速率的影响
(1)改变温度对正逆反应速率的影响是一致的。对于一个放热反应,升温时正逆反应速率同时加快,但是v(逆)增加的程度大于v(正),使得v(逆)>v(正),平衡左移,而不能误认为v(逆)变大,v(正)减小(或不变)。
(2)压强的影响归根到底是对浓度的影响,如果增大压强不会改变参加反应物质的浓度,则反应速率不会增大,如恒温恒容条件下,向容器中充入不参与反应的惰性气体,虽然压强增大了,但反应速率并没有改变。
[学以致用]
1.反应C(s,石墨)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行,下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是( )
A.用纳米石墨代替普通石墨
B.将容器的容积缩小一半
C.保持容积不变,充入Ne使体系压强增大
D.保持压强不变,充入Ne使容器容积增大
解析:C [A.用纳米石墨代替普通石墨,大大增加了石墨与H2O的接触面积,反应速率增大。B.将容器的容积缩小一半,c(H2O)、c(CO)、c(H2)都增大,反应速率增大。C.充入Ne而保持容器容积不变,c(H2O)、c(CO)、c(H2)都不变,反应速率不变。D.充入Ne而保持压强不变,c(H2O)、c(CO)、c(H2)都减小,反应速率减小。]
2.下列四支试管中,过氧化氢分解产生氧气的化学反应速率最大的是( )
试管
温度
过氧化氢浓度
催化剂
A
室温(25 ℃)
12%
有
B
水浴加热(50 ℃)
4%
无
C
水浴加热(50 ℃)
12%
有
D
室温(25 ℃)
4%
无
解析:C [一般来说升高温度、增大反应物浓度和加入催化剂,都可使反应速率增大,比较题中四个选项可知,C中化学反应速率最大。]
化学反应速率图像
[核心突破]
化学反应速率图像是将化学反应速率变化的情况在直角坐标系中以图的形式表达的结果,是化学反应速率变化规律的反映。在认识和应用化学反应速率图像时,要立足于化学方程式,应用化学反应速率变化的规律,分析直角坐标系及其图像的含义。
此类问题主要包括反应速率与反应物浓度、气体压强、反应温度、催化剂等外界条件的关系以及反应过程中的速率变化等定性关系。
1.定性图像
(1)全程速率—时间图:
如Zn与足量盐酸的反应,反应速率随时间的变化如图1所示。
图1
AB段:Zn与盐酸的反应是放热反应,使溶液的温度升高,化学反应速率逐渐增大;BC段:随着反应的进行,盐酸的浓度逐渐减小,化学反应速率逐渐减小。
(2)速率—温度图:
其他条件一定,反应速率随着温度的升高而增大;其他条件一定,反应速率随着温度的降低而减小,如图2 A所示。
图2
(3)速率—压强图:
其他条件一定,增大气态反应物的压强(缩小容器的容积),反应速率随着压强的增大而增大;其他条件一定,减小气态反应物的压强(增大容器的容积),反应速率随着压强的减小而减小,如图2 B所示。
2.定量图像
如图3所示,定量图像主要是指反应物或生成物的物质的量(或物质的量浓度)与反应时间t的定量关系。
图3
[典例示范]
[典例2] 已知某可逆反应在密闭容器中进行:A(g)+2B(g)3C(g)+D(s) ΔH<0,如图中曲线b代表一定条件下该反应的进程。α(A)代表A的转化率,若使曲线b变为曲线a,可采取的措施是( )
①增大A的浓度 ②缩小容器的容积 ③增大B的浓度 ④升高温度 ⑤加入合适的催化剂
A.①
B.②④
C.②⑤
D.②③
解析:C [观察图中的曲线a、b,主要看两处:①转折点的先后。转折点对应的横坐标代表达到化学平衡状态所需的时间,题图中曲线a比曲线b先转折,说明曲线a表示的化学反应速率比曲线b表示的化学反应速率大,达到化学平衡所需的时间较短。②水平线的高低。图中曲线b和曲线a的水平线相重合,说明A的转化率不变。所以使曲线b变为曲线a,采取的措施只能是使化学反应速率增大,而不能使化学平衡发生移动。因D呈固态,故该反应是化学方程式中气态物质化学计量数不变的反应,所以加入催化剂或增大压强都只能使化学反应速率增大,而不会使化学平衡发生移动。]
方法点拨 对于时间—速率图像要注意的3点
(1)看清起点、终点,分清反应物和生成物。
(2)抓住变化趋势,分清正、逆反应,吸、放热反应,要特别注意分析渐变和突变的原因。
(3)增大反应物浓度的瞬间,v正突变,v逆渐变。升高温度,使用催化剂,v正、v逆均突变。
选项
反应
甲
乙
A
外形、大 小相近的金属和水反应
反应
速率
Na
K
B
4 mL 0.01 mol·L-1的KMnO4溶液,分别和不同浓度的H2C2O4(草酸)溶液各2 mL反应
0.1 mol·L-1的H2C2O4溶液
0.2 mol·L-1的H2C2O4溶液
C
5 mL 0.1 mol·L-1Na2S2O3溶液和5 mL 0.1 mol·L-1H2SO4溶液反应
反应
速率
热水
冷水
D
5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2
无MnO2
粉末
加MnO2
粉末
解析:C [反应速率与物质本身的性质有关。由于K比Na活泼,故相同大小的K和Na,K的反应速率快,又由于Na、K与H2O反应均为放热反应,随反应进行,放出大量热,反应速率逐渐加快,A图像错误;由于起始时乙中H2C2O4浓度大,故其反应速率比甲中快,B图像错误;由于甲反应是在热水中反应,温度高,故甲的反应速率高于乙的。随反应进行,反应物浓度逐渐减小,故甲、乙中反应速率逐渐减小,C图像正确;MnO2在H2O2分解过程中起催化作用,故乙中反应速率应大于甲中,D图像错误。]
[素养提升]
有机废水就是以有机污染物为主的废水,有机废水易造成水质富营养化,危害比较大。Fenton法常用于处理含难降解有机物的工业废水,通常是在调节好pH和Fe2+浓度的废水中加入H2O2,所产生的羟基自由基能氧化降解污染物。某校化学兴趣小组现运用该方法降解有机污染物p-CP,探究有关因素对该降解反应速率的影响。
[实验设计] 控制p—CP的初始浓度相同,恒定实验温度在298 K或313 K(其余实验条件见下表),设计如下对比实验。
实验
编号
实验目的
T/K
pH
c/(10-3mol·L-1)
H2O2
Fe2+
①
为以下实验作参考
298
3
6.0
0.30
②
探究温度对降解反
应速率的影响
③
298
10
6.0
0.30
(1)请完成上述实验设计表(表中不要留空格)。
[数据处理] 实验测得pCP的浓度随时间变化的关系如下图。
(2)请根据如图实验①曲线,计算降解反应在50~150 s内的反应速率v(pCP)。
[解释与结论]
(3)实验①②表明温度升高,降解反应速率增大。但温度过高时反而导致降解反应速率减小,请从Fenton法所用试剂H2O2的角度分析原因。
(4)实验时需在不同时间从反应器中取样,并使所取样品中的反应立即停止下来。根据上图中的信息,给出一种迅速停止反应的方法。
(1)提示:对比实验的关键是控制变量,实验②探究温度对降解反应速率的影响,则②中除了温度不同以外,其他量必须与实验①相同,则温度、pH、双氧水浓度、亚铁离子浓度在表格中数值分别为:313、3、6.0、0.30;实验③中除了pH与①不同外,其他量完全相同,则探究的是溶液的pH对降解反应速率的影响。
(2)提示:根据图像可知,曲线①中在50 s时的浓度为1.2×10-3 mol·L-1,在150 s时浓度为0.4×10-3 mol·L-1,则50~150 s内的平均反应速率为v(pCP)=eq \f(1.2-0.4×10-3 mol·L-1,150-50 s)=8.0×10-6 mol·L-1·s-1。
(3)提示:温度较高时,过氧化氢不稳定易分解,所以温度过高时反而导致降解反应速率减小。
(4)提示:根据曲线③可以得出,该反应在pH=10的溶液中停止,故可在反应液中加入碱溶液,使溶液的pH迅速增大,从而使反应停止。
1.下列说法,不是加快化学反应速率的是( )
A.用冰箱保存食物
B.煤气炉边的金属生锈严重
C.制备氢气适当提高硫酸浓度
D.用锌粉代替锌粒制备氢气
解析:A [将食物贮藏在冰箱中,温度降低,能减慢反应速率,A正确;煤气炉边的金属温度高,电化学腐蚀速度快,B错误;制备氢气适当提高硫酸浓度,增大反应速率,C错误;用锌粉代替锌粒,增大接触面积,加快化学反应的速率,D错误。]
2.一定量的锌与过量的稀硫酸反应制取氢气,一定温度下为减慢反应速率而又不影响生成氢气的量,可向其中加入( )
A.KCl固体
B.铁粉
C.K2SO4溶液
D.KNO3溶液
解析:C [A项,加入KCl固体不影响c(H+),对反应速率无影响;B项,Fe、Zn形成微电池反应,能加快反应,且Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,影响生成H2的量;C项,对稀硫酸进行稀释,c(H+)减小,反应速率减慢,n(H+)不变,故不影响H2的产量;D项,H+、NOeq \o\al(-,3)与Zn反应不产生H2。]
3.漂白剂亚氯酸钠(NaClO2)在常温且黑暗处可保存一年,亚氯酸不稳定可分解,反应的离子方程式为5HClO2===4ClO2↑+H++Cl-+2H2O(HClO2为弱酸)。向NaClO2溶液中滴加H2SO4,开始时HClO2分解反应缓慢,随后反应迅速加快,其原因是( )
A.溶液中的Cl-起催化作用
B.溶液中的H+起催化作用
C.ClO2逸出,使反应的生成物浓度降低
D.在酸性条件下,亚氯酸钠的氧化性增强
解析:A [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,随后反应突然加快,这说明分解生成的产物中的某种物质起了催化剂的作用。]
4.对于锌粒与稀硫酸的反应,下列说法中不正确的是( )
A.可选用颗粒大小基本相同的锌粒与不同浓度的硫酸反应,比较二者收集10 mL氢气所用的时间,从而计算反应速率并说明浓度对反应速率的影响
B.可记录溶液中氢离子的浓度随时间的变化(用pH计测定溶液的pH)来测量反应速率
C.可记录溶液的温度变化(用温度计来测量温度)来测量反应速率
D.可选用等质量的Zn片和Zn粒与相同浓度的硫酸反应,记录Zn完全消失的时间,从而计算反应速率并说明固体表面积对反应速率的影响
解析:C [温度变化不能定量反映化学反应速率。]
5.“碘钟”实验中,3I-+S2Oeq \o\al(2-,8)===Ieq \o\al(-,3)+2SOeq \o\al(2-,4)的反应速率可以用Ieq \o\al(-,3)遇加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量,t越小,反应速率越大。某探究性学习小组在20 ℃进行实验,得到的数据如下表:
实验编号
①
②
③
④
⑤
c(I-)/(mol·L-1)
0.040
0.080
0.080
0.160
0.120
c(S2Oeq \o\al(2-,8))/(mol·L-1)
0.040
0.040
0.080
0.020
0.040
t/s
88.0
44.0
22.0
44.0
t1
回答下列问题:
(1)该实验的目的是___________________________
____________________________________________________。
(2)显色时间t1为 ________ 。
(3)通过分析比较上述数据,得到的结论是______________
_____________________________________________________。
解析:②由数据表容易发现:②④组所用时间相同,③组所用时间为它们的一半,①组所用时间为它们的2倍。进一步分析:②④两组中c(I-)与c(S2Oeq \o\al(2-,8))的乘积相等,③组中乘积为②④组的2倍,①组乘积为其一半。因此可得结论:当c(I-)·c(S2Oeq \o\al(2-,8))相等时,显色时间相等,反应速率相等,显色时间与反应速率成反比,即t与c(I-)·c(S2Oeq \o\al(2-,8))成反比。eq \f(t1,44.0)=eq \f(0.160×0.020,0.120×0.040),得t1=eq \f(88.0,3)≈29.3。
答案:(1)研究反应物I-与S2Oeq \o\al(2-,8)的浓度对反应速率的影响 (2)eq \f(88.0,3)(或29.3) (3)化学反应速率与反应物起始浓度乘积成正比(或显色时间与反应物起始浓度乘积成反比)
[课堂小结]
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