内容正文:
第2课时 影响化学反应速率的因素 活化能
课程标准
核心素养目标
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.知道化学反应是有历程的,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。
3.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.证据推理与模型认知:建构分析外界因素影响化学反应速率的碰撞理论模型,促进“证据推理”化学学科核心素养的发展。
2.科学探究与创新意识:通过定性与定量研究影响化学反应速率的因素,提高学生设计探究方案、进行实验探究的能力。
[对应学生用书P25]
一、影响化学反应速率的因素
1.影响化学反应速率的主要因素(内因)
在相同条件下,不同的化学反应的反应速率首先是由反应物的组成、结构和性质等因素决定的。
2.定性与定量研究影响化学反应速率的因素(教材探究)
(1)探究实验 Ⅰ :定性探究影响化学反应速率的外界因素
①实验原理:Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O、2H2O22H2O+O2↑。
②实验方案设计:
影响因素
实验步骤
实验现象比较
结论
浓度
试管1、2均产生黄色浑浊,试管2出现浑浊更快
其他条件相同,增大反应物浓度,化学反应速率增大
温度
混合后均产生黄色浑浊,但70 ℃热水一组先产生浑浊
其他条件相同,升高温度,化学反应速率增大
催化剂
试管1中无明显现象,试管2中出现大量气泡
其他条件相同,使用催化剂,可增大化学反应速率
(2)实验探究 Ⅱ :通过实验测定并比较下列化学反应的速率。
①实验步骤:
i.按右图所示组装实验装置,在锥形瓶内放入2 g锌粒,通过分液漏斗加入40 mL 1 mol/L H2SO4溶液,测量并记录收集10 mL H2所用时间。
ii.若用4 mol/L H2SO4溶液代替1 mol/L H2SO4溶液重复上述实验,测量收集10 mL H2所用时间。
②实验现象:锌与稀硫酸反应产生气泡(写现象),收集10 mL 气体,ii所用时间比i所用时间短。
③实验结果:
加入试剂
反应时间长短
反应速率大小
40 mL 1 mol/L 硫酸
长
小
40 mL 4 mol/L 硫酸
短
大
④实验结论:4 mol/L硫酸与锌反应的速率比1 mol/L硫酸与锌反应的速率大。
3.浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响规律(其他条件相同)
外界条件
反应速率变化
浓度
增大反应物浓度
增大
降低反应物浓度
减小
温度
升高温度
增大
降低温度
减小
催化剂
加入催化剂
改变
压强(有气体参
加的化学反应)
(缩小体积)增大压强
增大
(扩大体积)减小压强
减小
[微点归纳] 大量实验证明,温度每升高10 ℃,化学反应速率通常增大为原来的2~4倍。这表明温度对反应速率的影响非常显著。
二、活化能
1.基元反应和反应历程
(1)基元反应:大多数化学反应往往经过多个反应步骤才能实现,每一步反应都称为基元反应。基元反应反映了反应历程。反应历程又称反应机理。
例如,2HI===H2+I2依次经过两步基元反应完成:2HI―→H2+2I·、2I·―→I2。
(2)基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞。
2.有效碰撞理论
(1)基本定义
术语
基本定义
有效碰撞
能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞
活化分子
发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量,这种分子叫做活化分子
活化能
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
(2)活化能与反应热的关系
3.用有效碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响
条件
影响结果及分析
浓度
其他条件相同时,反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→化学反应速率增大;反之,化学反应速率减小
温度
其他条件相同时,升高温度→反应物分子的能量增加→活化分子的百分数增加→单位时间内有效碰撞的次数增加→化学反应速率增大;反之,化学反应速率减小
压强
对于有气体参加的化学反应,其他条件相同时,增大压强→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→化学反应速率增大;反之,化学反应速率减小
催化剂
其他条件相同时,使用催化剂→改变了反应历程→反应的活化能降低→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞的次数增加→化学反应速率增大
◆名师点拨
浓度对化学反应速率的影响
(1)固体和液体纯物质的浓度视为常数,改变其物质的量,化学反应速率不变。
(2)固体物质的反应速率与其表面积有关,颗粒越小,表面积越大,反应速率越大,但不能通过增加固体的量来增大表面积。
(3)对于离子反应,只有实际参加反应的离子浓度变化,才会引起化学反应速率的改变。
例如,FeCl3溶液和KSCN溶液反应:Fe3++3SCN-Fe(SCN)3,加入少量KCl固体,反应速率不变。
◆特别提醒
温度对化学反应速率的影响
(1)温度对化学反应速率的影响规律对放热反应、吸热反应都适用,且不受反应物状态的限制。
(2)对于可逆反应,温度对正、逆反应速率的影响具有“一致性”,即升高温度,正、逆反应速率均增大,反之,则减小。
◆名师点拨
催化剂对化学反应速率的影响
(1)催化剂只改变化学反应速率,不能改变反应热(ΔH)。
(2)对于可逆反应,催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率,即正、逆反应速率增大(或减小)的倍数相同。
◆拓展延伸
压强对化学反应速率的影响
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:
由图可知,其他条件相同时,增大压强,气体体积缩小,浓度增大,化学反应速率增大。
◆深度剖析
有效碰撞的条件
HI分解反应中分子碰撞示意图如下:
(1)有效碰撞的条件:①反应物分子必须具有足够能量(活化分子);②碰撞要有合适的取向。
(2)有效碰撞的实质:能使化学键断裂,从而发生化学反应。
◆易错警示
(1)发生有效碰撞的分子一定是活化分子,但活化分子发生的碰撞不一定都是有效碰撞,只有具有合适取向的碰撞才是有效碰撞。
(2)改变浓度和压强,不能改变活化分子百分数,改变温度或使用催化剂,才能改变活化分子百分数。
(3)对于有气体参与的反应,改变压强,气体体积改变,气体的浓度改变,从而引起化学反应速率的变化。
备课札记
◆要点图解
化学反应经历的过程
备课札记
[对应学生用书P28]
探究一 反应条件对化学反应速率的影响
某化学小组为了探究外界条件对化学反应速率的影响,进行了如下实验:
[实验原理]2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
[实验内容及记录]
实验编号
实验温
度/℃
试管中所加试剂及其用量/mL
溶液褪至
无色所需时间/min
0.6 mol/L
H2C2O4
溶液
H2O
3 mol/L
H2SO4
溶液
0.05
mol/L
KMnO4
溶液
①
25
3.0
2.0
2.0
3.0
1.5
②
25
2.0
3.0
2.0
3.0
2.7
③
50
2.0
V
2.0
3.0
1.0
[问题设计]
(1)实验①②所探究反应速率的影响因素是什么?
提示:实验①②中H2C2O4溶液的浓度不同,其他条件相同,探究的是浓度对反应速率的影响。
(2)探究温度对化学反应速率的影响,应选择哪两组实验?V应是多少?为什么?
提示:应选择实验②③,V应为3.0,保证H2C2O4、H2SO4的浓度相等。
1.反应条件对化学反应速率的影响及分析
(1)分析反应特点,看是否有气体、固体或纯液体参与反应。若有气体参与反应,则压强对反应速率有影响;若无气体参与反应,改变其物质的量,反应速率不变。
(2)基于“控制变量法”,分析反应条件对化学反应速率的影响:
2.充入非反应气体(如He)对化学反应速率的影响
对于反应aA(g)+bB(g)cC(g),恒温条件下,向反应体系中充入少量氦气,利用“模型法”分析化学反应速率的变化,思维流程如下:
[例1] 某化学小组探究外界条件对化学反应速率的影响及其原因。
【实验原理】2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4===K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
【实验内容及记录】
实验编号
室温下,试管中所加试剂及其用量/mL
室温下溶液颜色褪至无色所需时间/min
0.6 mol/L
H2C2O4
溶液
H2O
0.2 mol/L
KMnO4
溶液
3 mol/L
稀硫酸
1
3.0
2.0
3.0
2.0
4.0
2
3.0
3.0
2.0
2.0
5.2
3
3.0
4.0
1.0
2.0
6.4
(1)根据表中的实验数据,可以得到的结论是
。
(2)利用实验1中数据计算,用KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率为v(KMnO4)= mol/(L·min)。
(3)该小组同学根据经验绘制了n(Mn2+)随时间变化趋势的示意图,如图1所示,但是实验过程中n(Mn2+)随时间变化的趋势应如图2所示。
①该小组同学根据图2提出假设:生成的Mn2+对该反应有催化作用;通过下列实验验证该假设是否成立,试管中加入少量固体的化学式为 。
实验编号
室温下,试管中所加试剂及其用量/mL
再向试管中加入少量固体
室温下溶液颜色褪至无色所需时间/min
0.6 mol/L
H2C2O4
溶液
H2O
0.2 mol/L
KMnO4
溶液
3 mol/L
稀硫酸
4
3.0
2.0
3.0
2.0
t
②若提出的假设成立,应观察到的现象是
。
(4)浓度增大反应速率增大的原因是 (填标号,下同),催化剂使反应速率增大的原因是 。
a.单位体积内活化分子数增多,单位时间内有效碰撞次数增加
b.使分子能量升高,提高了活化分子百分数,单位时间内有效碰撞次数增加
c.降低了反应的活化能,提高了活化分子百分数,单位时间内有效碰撞次数增加
答案:(1)其他条件相同时,增大KMnO4浓度,反应速率增大
(2)0.015
(3)①MnSO4 ②与实验1比较,溶液褪色所需时间短(或所用时间小于4.0 min)
(4)a c
解析:(1)由表格数据可知,实验中草酸溶液和硫酸溶液的浓度不变,高锰酸钾溶液的浓度不同,高锰酸钾溶液的浓度越大,室温下溶液颜色褪至无色所需时间越少,说明高锰酸钾溶液的浓度越大,反应速率越大。
(2)由表格数据可知,4 min时,3.0 mL 0.2 mol/L高锰酸钾溶液在酸性条件下与草酸溶液完全反应,则4 min内,高锰酸钾溶液的反应速率为=0.015 mol/(L·min)。
(3)①由题意可知,实验4的目的是探究反应生成的锰离子对反应是否有催化作用,由探究实验变量唯一化原则可知,向试管中加入的少量固体为硫酸锰。②若提出的假设成立,与实验1相比,实验4的反应速率大于实验1,室温下溶液颜色褪至无色所需时间少于实验1,所用时间应该小于4.0 min。
(4)浓度增大反应速率增大的原因是反应物浓度增大,单位体积内活化分子数增多,单位时间内有效碰撞次数增加,反应速率增大,a符合题意。催化剂使反应速率增大的原因是催化剂降低了反应的活化能,提高了活化分子的数目和活化分子百分数,单位时间内有效碰撞次数增加,反应速率增大,c符合题意。
1.已知硫代硫酸钠(Na2S2O3)与稀硫酸的反应为Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O。某兴趣小组以该反应为例探究影响反应速率的因素并设计了如下实验,下列说法错误的是( )
实验编号
反应
温度/
℃
0.10 mol/L
Na2S2O3溶液
V/mL
0.20 mol/L
稀硫酸
V/mL
H2O
V/mL
开始出现
浑浊所需
时间/s
1
20
10.0
10.0
0
5
2
50
V1
10.0
0
t2
3
20
10.0
4.0
V2
t3
A. 实验1和实验2可用于探究温度对该反应速率的影响
B.用Na2S2O3溶液的浓度变化表示实验1的平均反应速率为v(Na2S2O3)=0.01 mol/(L·s)(忽略混合前后溶液的体积变化)
C.若用实验1和实验3探究稀硫酸浓度对该反应速率的影响,则V2=0
D.将水更换为Na2SO4溶液,对实验结果无影响
C 解析:若V1=10.0,除了温度不同外,其他条件都相同,可用实验1和实验2探究温度对该反应速率的影响,A正确;混合后0.10 mol/L Na2S2O3的浓度变为原来的一半,即0.05 mol/L,Na2S2O3溶液的浓度变化表示实验1的平均反应速率为v(Na2S2O3)===0.01 mol/(L·s),B正确;若用实验1和实验3探究稀硫酸浓度对该反应速率的影响,则须保证 Na2S2O3溶液浓度相同,即最终溶液体积相同,所以 V2=6.0,C错误;Na2SO4对该反应速率无影响,所以将水更换为 Na2SO4溶液,对实验结果无影响,D正确。
探究二 建构碰撞理论模型,解释反应条件对速率的影响
化学反应中分子(或离子)之间的碰撞类似于篮球场上运动员的投篮:
在(1)中,运动员没有提供足够的能量,球没有落入篮筐;在(2)中,球虽然具有足够的能量,但没有合适的取向,球也没有落入篮筐;在(3)中,球具有足够的能量和合适的取向,球落入篮筐。
[问题设计]
(1)结合图中信息,引发化学反应,分子(或离子)的碰撞必须具备哪些条件?
提示:①具有足够的能量(活化分子);②碰撞有合适的取向。
(2)基于有效碰撞理论,分析升高温度和使用催化剂对反应速率影响的异同点。
提示:相同点:升高温度或使用催化剂,活化分子百分数增大,有效碰撞次数增多,化学反应速率增大;
不同点:升高温度,分子具有能量增加,活化分子百分数增大,而使用催化剂,降低活化能,活化分子百分数增大。
运用有效碰撞理论,解释反应条件对化学反应速率的影响
[例2] 某反应在有无催化剂条件下的能量变化如下图所示,下列说法不正确的是( )
A.反应过程a无催化剂参与
B.该反应为放热反应,热效应等于ΔH
C.有催化剂条件下,反应的活化能等于E1-E2
D. 使用催化剂可改变该反应的活化能,增加单位体积内反应物分子中活化分子的数目,但是不能改变反应的ΔH
C 解析:使用催化剂能降低反应的活化能,根据图像可知,反应过程b使用了催化剂,反应过程a无催化剂参与,A正确;根据图像可知,反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量,该反应为放热反应,在中学阶段一般认为热效应等于ΔH,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高的E1,C错误;催化剂能改变反应历程,可改变反应的活化能,一般加入催化剂,降低反应的活化能,增加单位体积内反应物分子中活化分子的数目,ΔH在一定条件下,只与反应体系的始态和终态有关,与反应途径无关,D正确。
2.DMC(碳酸二甲酯)由于毒性较小,是一种具有发展前景的“绿色”化工产品。其一种合成方案的反应历程如图所示(“*”表示吸附在催化剂表面)。下列说法错误的是( )
A.该反应为吸热反应
B.生成“过渡态 Ⅱ ”的过程是该反应的决速步
C.·OH在该反应过程中起催化作用
D.该历程的总反应为2CH3OH+CO2===CH3OCOOCH3+H2O
B 解析:反应物的能量低于生成物的能量,故是吸热反应,A正确;生成“过渡态 Ⅰ ”的过程活化能是最大的,是该反应的决速步骤,B错误;·OH在反应前参与反应,反应后生成,起催化剂的作用,C正确;该历程的总反应为2CH3OH+CO2===CH3OCOOCH3+H2O,D正确。
[对应学生用书P30]
1.对于反应C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),其他条件不变时,下列措施不能改变化学反应速率的是( )
A.增大CO(g)或H2(g)的浓度
B.增大H2O(g)的浓度
C.增大C(s)的量
D.减小H2O(g)的浓度
C 解析:增大CO(g)或H2(g)的浓度,反应速率增大,A不符合题意;增大H2O(g)的浓度,反应速率增大,B不符合题意;增大C(s)的量,由于C为纯固体,所以反应速率不变,C符合题意;减小H2O(g)的浓度,反应速率减小,D不符合题意。
2.对于一定条件下进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),改变下列条件,可以增大反应物分子中活化分子百分数的是( )
①增大压强(缩小容器的容积)
②升高温度
③使用催化剂
④增大反应物浓度
A.②③ B.①②
C.①②③ D.①②④
A 解析:升高温度,普通分子获得能量变成活化分子,活化分子百分数增大;使用催化剂,降低活化能,普通分子变成活化分子,活化分子百分数增大。
3.亚氯酸盐(如NaClO2)可作漂白剂,在常温、不见光条件下可保存一年,在酸性条件下发生反应:5ClO+4H+===4ClO2↑+Cl-+2H2O,开始时,反应非常慢,一段时间后,反应速率变大。对于该反应速率变大的原因,下列猜测最合理的是( )
A.ClO起催化作用
B.H+起催化作用
C.Cl-起催化作用
D.ClO2的逸出
C 解析:反应开始时溶液中就有ClO,但是反应却非常慢,说明ClO不起催化作用,A错误;反应开始时溶液中就有H+,但反应非常慢,说明H+不起催化作用,B错误;随着反应的进行,反应产生Cl-,使溶液中Cl-浓度逐渐增大,反应速率增大,故说明可能是Cl-对化学反应起催化作用,C正确;ClO2的逸出会导致物质浓度减小,不会出现反应速率突然增大的现象,D错误。
4.SO2转化为SO3的反应为2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH=-198 kJ/mol。在有、无催化剂条件下SO2氧化成SO3过程中能量的变化如图所示。450 ℃、V2O5催化时,该反应机理为
反应①V2O5(s)+SO2(g)===V2O4(s)+SO3(g) ΔH1
反应②2V2O4(s)+O2(g)===2V2O5(s) ΔH2=-246 kJ/mol
下列说法正确的是( )
A.ΔH1=+24 kJ/mol
B.V2O5催化时,反应②的速率大于反应①
C.保持其他条件不变,升高温度,活化分子百分数不变
D.反应中每消耗22.4 L O2,转移电子数目约等于4×6.02×1023
A 解析:根据盖斯定律,将(总反应-反应②)×得V2O5(s)+SO2(g)===V2O4(s)+SO3(g) ΔH1=(ΔH-ΔH2)×=[(-198 kJ/mol)-(-246 kJ/mol)]×=+24 kJ/mol,A正确;由图可知,V2O5催化时,反应②的活化能大于反应①的活化能,活化能越大反应速率越小,则反应②的速率小于反应①,B错误;保持其他条件不变,升高温度,活化分子百分数增大,C错误;O2所处温度和压强未知,不能用22.4 L/mol计算22.4 L O2物质的量,从而无法计算转移电子的数目,D错误。
5.H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液发生的反应为5H2C2O4+2MnO+6H+===10CO2↑+2Mn2++8H2O,通过测定溶液褪色所需时间可探究外界条件对反应速率的影响,实验记录数据如表所示。
编号
H2C2O4溶液
酸性KMnO4溶液
温度/℃
时间/ s
浓度/
(mol/L)
体积/
mL
浓度/
(mol/L)
体积/
mL
①
0.1
2.0
0.01
4.0
25
t1
②
0.2
2.0
0.01
4.0
25
t2
③
0.2
2.0
0.01
4.0
50
t3
回答下列问题:
(1)为了保证实验的准确性,须保证≥ 。
(2)利用表中的实验①和实验②可探究 对速率的影响,若探究温度对速率的影响应选择实验 (填表格中的实验编号)
(3)溶液褪色的时间从长到短的顺序为 (用t1、t2、t3表示)。
(4)若实验①经过40 s褪色,则用KMnO4浓度变化表示的平均反应速率v(KMnO4)= mol/(L·s)(保留两位有效数字)。
(5)上述实验过程中,开始溶液颜色无明显变化,稍后会出现溶液突然褪色的现象。某同学设计了如下实验进行探究(已知:K+对速率无影响)。
该同学认为 (填离子符号)能够增大反应速率,实验1中加入5 mL 1.0 mol/L的K2SO4溶液,其目的是 。
答案:(1)(或2.5) (2)草酸浓度 ②和③
(3)t1>t2>t3 (4)1.7×10-4
(5)Mn2+ 保证实验1和实验2混合后溶液中KMnO4、H2C2O4、SO的初始浓度相等
解析:对比实验①和②的数据可发现,除了H2C2O4浓度不同外,其余条件均相同,所以通过实验①、②,可探究出H2C2O4浓度的改变对反应速率的影响,其中实验①中草酸浓度小于实验②,所以反应速率小于实验②,根据控制变量法,欲探究温度变化对化学反应速率的影响,则需使其他条件相同的情况下,温度作为变量,所以根据表中数据,通过实验②和③可探究温度变化对化学反应速率的影响。
(1)H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液发生的反应为5H2C2O4+2MnO+6H+===10CO2↑+2Mn2++8H2O,该反应需要观察高锰酸钾溶液褪色的时间,则MnO必须是少量的,须保证≥(或2.5)。
(2)利用表中的实验①和实验②可探究草酸浓度对速率的影响,若探究温度对速率的影响应选择实验②和③。
(3)H2C2O4溶液的浓度越大,反应时温度越高,反应速率越大,酸性KMnO4溶液褪色越快,则溶液褪色的时间从长到短的顺序为t1>t2>t3。
(4)实验①经过40 s褪色,则用KMnO4浓度变化表示的平均反应速率v(KMnO4)==≈1.7×10-4 mol/(L·s)。
(5)H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液发生反应过程中有Mn2+,具有催化作用,能够增大反应速率,实验1中加入5 mL 1.0 mol/L的K2SO4溶液,其目的是保证实验1和实验2混合后溶液中KMnO4、H2C2O4、SO的初始浓度相等。
学科网(北京)股份有限公司
$$