内容正文:
主题十|化学反应速率与化学平衡
第一讲 化学反应速率
|内|容|与|目|标|
1.能进行化学反应速率的简单计算,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。
2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产生活、化学实验中的实际问题,能讨论化学反应条件的选择和优化。
逐点清(一) 化学反应速率及表示方法
1.化学反应速率的概述
概念
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(均取正值)
公式
v==,单位是mol·L-1·min-1或mol·L-1·s-1
规律
当单位相同时,化学反应速率的数值之比等于化学计量数之比。如反应mA(g)+nB(g)==pC(g)+qD(g),即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q或===
2.化学反应速率的大小比较
归一法
按照化学计量数关系换算为同一物质、同一单位表示,再比较数值大小
比值法
比较化学反应速率与化学计量数的比值。如aA(g)+bB(g)⇌cC(g),即比较与,若>,则用A表示的化学反应速率比用B表示的大
3.化学反应速率的注意事项
(1)化学反应速率一般指平均速率而不是某一时刻的瞬时速率,且无论用反应物还是用生成物表示均取正值。
(2)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,其数值可能不同,但表示的意义相同。
(3)固体或纯液体的浓度视为常数,一般不用固体或纯液体的浓度变化计算化学反应速率。
(1)单位时间内反应物浓度的变化量表示正反应速率,生成物浓度的变化量表示逆反应速率 (×)
(2)某化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1,是指某时刻该反应的瞬时速率为0.8 mol·L-1·s-1 (×)
(3)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的反应速率,数值越大,表示化学反应速率越快 (×)
题点、考法讲评
一、化学反应速率的多维度计算
1.[利用图像信息进行计算]一定条件下,在容积为10 L的固定容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),反应过程如图。下列说法不正确的是 ( )
A.t1 min时,正、逆反应速率相等
B.X曲线表示NH3的物质的量随时间的变化关系
C.0~8 min,H2的平均反应速率v(H2)=0.011 25 mol·L-1·min-1
D.10~12 min,N2的平均反应速率v(N2)=0.002 5 mol·L-1·min-1
解析:选A t1 min时,反应没有达到平衡状态,正、逆反应速率不相等,A项错误;根据图像可知,在0~8 min内,X的物质的量增加了0.6 mol,Y减少了0.9 mol,X、Y变化的物质的量之比为2∶3,则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项正确;0~8 min,v(H2)==0.011 25 mol·L-1·min-1,C项正确;10~12 min,v(NH3)==0.005 mol·L-1·min-1,v(N2)==0.002 5 mol·L-1·min-1,D项正确。
2.[利用“三段式”进行计算]现向一容积不变的2 L密闭容器中充入4 mol NH3和3 mol O2,发生反应:4NH3(g)+3O2(g)⇌2N2(g)+6H2O(g),4 min后,测得生成的H2O占混合气体体积的40%,则下列表示此段时间内该反应的平均速率不正确的是 ( )
A.v(N2)=0.125 mol·L-1·min-1
B.v(H2O)=0.375 mol·L-1·min-1
C.v(O2)=0.225 mol·L-1·min-1
D.v(NH3)=0.250 mol·L-1·min-1
解析:选C 设4 min时,生成6x mol H2O(g),由题意建立如下三段式:
4NH3(g)+3O2(g)⇌2N2(g)+6H2O(g)
起始/mol 4 3 0 0
变化/mol 4x 3x 2x 6x
4 min时/mol 4-4x 3-3x 2x 6x
4 min时气体的总物质的量为(4-4x)mol+(3-3x)mol+2x mol+6x mol=(7+x)mol,则有=0.4,解得x=0.5,故v(H2O)===0.375 mol·L-1·min-1,依据速率比等于化学计量数之比可知,v(N2)=v(H2O)=0.125 mol·L-1·min-1,v(NH3)=v(H2O)=0.250 mol·L-1·min-1,v(O2)=v(H2O)=0.187 5 mol·L-1·min-1。
|思维建模|“三段式”法计算反应速率v(X)
(1)写出有关反应的化学方程式。
(2)找出各物质的起始量、转化量、某一时刻量。
(3)根据题给信息列式求算。
例如,反应 mA(g)+nB(g)⇌pC(g)
①t0 s浓度/(mol·L-1) a b 0
②转化浓度/(mol·L-1) x
③t1 s浓度/(mol·L-1) a-x b-
v(A)=,v(B)=,v(C)=,α(A)=×100%。
二、化学反应速率的多样表示
3.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。
解析:由单位可知v==30 mL·g-1·min-1。
答案:30
4.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表:
反应时间/min
SO2(g)/mol
O2(g)/mol
SO3(g)/mol
0
4
2
0
5
1.5
10
2
15
1
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,而气态物质分压=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。
解析:由题意列出“三段式”:
2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)
初始/mol 4 2 0
转化/mol 2 1 2
10 min/mol 2 1 2
气体总压之比等于气体物质的量之比,所以10 min时体系总压p10 min满足=,即p10 min=p0,p初始(SO2)=p0 kPa,p10 min(SO2)=p0 kPa×=p0 kPa,故v(SO2)=÷10 min= kPa·min-1。
答案:
5.(2022·福建卷·节选)异丙醇(C3H8O)可由生物质转化得到,催化异丙醇脱水制取高值化学品丙烯(C3H6)的工业化技术已引起人们的关注,其主要反应如下:
Ⅰ.C3H8O(g)⇌C3H6(g)+H2O(g) ΔH1=+52 kJ·mol-1
Ⅱ.2C3H6(g)⇌C6H12(g) ΔH2=-97 kJ·mol-1
回答下列问题:
在1 350 ℃下,刚性密闭容器中的反应体系内水蒸气浓度与反应时间关系如下表:
反应时间/μs
0
4
8
12
t
20
H2O浓度/ppm
0
2 440
3 200
3 600
4 000
4 100
(1)4~8 μs内,v(C3H8O)= ppm·μs-1;
(2)t 16(填“>”“<”或“=”)。
解析:(1)4~8 μs内,v(H2O)= ppm·μs-1=190 ppm·μs-1,则v(C3H8O)=v(H2O)=190 ppm·μs-1。
(2)0~4 μs、4~8 μs、8~12 μs,Δc(H2O)逐渐减小,说明反应速率减小,8~12 μs内,Δc(H2O)=400 ppm,12~t μs内,Δc(H2O)=400 ppm,则t-12>4,即t>16。
答案:(1)190 (2)>
逐点清(二) 影响化学反应速率的因素
(一)影响化学反应速率的因素
1.内因:反应物本身的性质是主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为Mg>Al。
2.外因(只改变一个条件,其他条件不变)
(1)压强对无气体参与的反应无影响。压强的改变实质是改变反应物的浓度,判断时看反应物的浓度是否发生改变。
(2)温度对反应速率的影响适用于除电化学反应外的绝大多数化学反应,如升高温度,不论吸热反应还是放热反应,不论正反应速率还是逆反应速率,均加快。
(二)基元反应和有效碰撞理论
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,每一步反应都被称为基元反应;先后进行的基元反应反映了反应历程,反应历程又称为反应机理。
2.有效碰撞
(1)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)并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应,能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞。发生有效碰撞的两个条件是反应物分子能量足够和取向合适。
3.活化分子、活化能
(1)活化分子:能够发生有效碰撞的分子。
(2)
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。
图中:E1为正反应的活化能, E2为活化分子变成生成物分子放出的能量,反应热为E1-E2。
4.活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
|基|础|落|实|小|练|
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)升高温度可以使吸热反应的反应速率增大,但放热反应的反应速率减小 (×)
(2)增大反应物的浓度,能够增大活化分子的百分数,所以反应速率增大 (×)
(3)升高温度和增大压强均可增大活化分子百分数 (×)
(4)活化分子的碰撞都是有效碰撞 (×)
2.(鲁科选1 P82 T2改编)请你解释下列现象。
(1)医用药品常在低温、干燥的环境中密封保存。
(2)向一堆篝火“鼓风”,可以使火势变强。
(3)少量的二氧化锰粉末可以使过氧化氢快速分解,而二氧化锰的质量在反应前后并没有发生改变。
(4)铁在空气中和在纯氧中反应的剧烈程度明显不同。
提示:(1)在温度低、干燥的环境中药品变质的反应速率减小。
(2)“鼓风”增大反应中O2的浓度,燃烧反应速率增大。
(3)二氧化锰为催化剂,反应前后质量不变。
(4)氧气的浓度大小影响反应的剧烈程度。
题点、考法讲评
一、影响化学反应速率的因素
1.(2026·湖南石门高三联考)温度为T时,在恒容密闭容器中进行反应:2X(g)+Y(g)⇌Z(g)+R(s) ΔH>0,下列有关叙述正确的是 ( )
A.向容器中充入少量氦气,化学反应速率不变
B.加入少量R(s),逆反应速率增大
C.升高温度,正反应速率增大,逆反应速率减小
D.压缩容器的容积,单位体积内活化分子的百分数增大,化学反应速率增大
解析:选A 向恒容容器中充入少量氦气,反应物浓度不变,化学反应速率不变,A正确;R是固体,加入少量R对化学反应没有影响,速率不变,B错误;升高温度,正、逆反应速率都增大,C错误;压缩容器的容积,活化分子的百分数不变,D错误。
2.科学家结合实验与计算机模拟结果,研究出了均相催化的思维模型。总反应:A+B→AB(K为催化剂),①A+K→AK Ea1,②AK+B→AB+K Ea2。下列说法错误的是 ( )
A.第①步为决速步骤
B.升高温度,该反应的速率加快
C.该反应的ΔH=-Ea kJ·mol-1
D.催化剂降低了活化能,加快了反应速率
解析:选C 第①步的正反应活化能Ea1>第②步的正反应活化能Ea2,所以反应速率:①<②,而总反应速率取决于慢反应,故决速步骤为第①步,A正确;温度升高,反应速率加快,B正确;Ea是该反应正反应的活化能,C错误;催化剂能降低反应的活化能,加快反应速率,D正确。
3.(2025·海南卷)恒温下,反应物A与Q按图示计量关系,同时发生三个基元反应,分别生成产物B、C、D,反应速率v1>v2>v3。下列说法正确的是 ( )
A.反应的活化能:①>②>③
B.提高温度仅提高反应②中活化分子百分数
C.加入催化剂,使反应③的活化能变小,D的产量降低
D.总反应速率v总=v1+v2+v3
解析:选D 基元反应的反应速率与活化能成反比(活化能越低,速率越快),已知v1>v2>v3,则活化能应为①<②<③,A错误;升高温度会使所有反应的活化分子百分数均提高,并非“仅提高反应②”,B错误;催化剂降低反应③的活化能,会加快反应③的速率,使D的生成速率增大,不影响D的产量,C错误;三个反应为平行反应,共同消耗反应物A和Q,总反应速率(反应物消耗速率)等于各反应速率之和,即v总=v1+v2+v3,D正确。
4.一定温度下,反应N2(g)+O2(g)⇌2NO(g)在密闭容器中进行,回答下列措施对化学反应速率的影响(填“增大”“减小”或“不变”)。
(1)缩小体积使压强增大: ,原因是 。
(2)恒容充入N2: 。
(3)恒容充入He: ,原因是 。
(4)恒压充入He: 。
答案:(1)增大 单位体积内,活化分子数目增加,有效碰撞的次数增多 (2)增大 (3)不变 单位体积内活化分子数不变 (4)减小
|思维建模|分析外界条件对化学反应速率的影响
(1)“惰气”对反应速率的影响
(2)对于有气体参加的可逆反应,升高温度或增大压强,v正、v逆均增大,但增大的倍数可能不同。
二、变量控制法探究反应速率的影响因素
5.某同学设计如下实验方案探究影响锌与稀硫酸反应速率的因素,有关数据如下表所示:
序号
纯锌
粉/g
2.0 mol·L-1硫酸
溶液/mL
温度/℃
硫酸铜
固体/g
加入蒸
馏水/mL
Ⅰ
2.0
50.0
25
0
0
Ⅱ
2.0
40.0
25
0
10.0
Ⅲ
2.0
50.0
25
0.2
0
Ⅳ
2.0
50.0
25
4.0
0
(1)本实验待测数据可以是 ,实验Ⅰ和实验Ⅱ可以探究 对锌与稀硫酸反应速率的影响。
(2)实验Ⅲ和实验Ⅳ的目的是 ,写出有关反应的离子方程式: 。
解析:实验Ⅰ和实验Ⅱ中,锌的质量和状态相同,硫酸的浓度不同,实验Ⅲ和实验Ⅳ中加入硫酸铜,Cu2+的氧化性强于H+,首先发生反应Zn+Cu2+==Zn2++Cu,生成的铜附着在锌表面,在稀硫酸溶液中构成原电池,加快锌失电子。但是加入的硫酸铜过多,生成的铜会覆盖在锌表面,阻止锌与稀硫酸进一步反应,产生氢气的速率会减慢。
答案:(1)反应结束所需要的时间(或相同条件下产生等体积的氢气所需要的时间) 硫酸浓度 (2)探究硫酸铜的质量对反应速率的影响 Zn+Cu2+==Zn2++Cu,Zn+2H+==Zn2++H2↑
|思维建模|关于“变量控制法”题目的解题流程
[课时验收评价]
一、选择题
1.反应2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)经a min后SO3的浓度变化情况如图所示,在0~a min内用O2表示的平均反应速率为0.04 mol·L-1·min-1,则a等于 ( )
A.0.1 B.2.5 C.5 D.10
解析:选C 由题图可知,0~a min内Δc(SO3)=0.4 mol·L-1,则有v(SO3)= mol·L-1·min-1。根据反应速率与化学计量数的关系可得,v(O2)=v(SO3)= mol·L-1·min-1,又知“0~a min内用O2表示的平均反应速率为0.04 mol·L-1·min-1”,则有 mol·L-1·min-1=0.04 mol·L-1·min-1,解得a=5,C项正确。
2.向一体积可变的密闭容器中加入一定量的铁粉和水蒸气进行反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)。改变下列条件,能明显增大化学反应速率的是 ( )
A.控制接触面积不变,增加一倍Fe的用量
B.将容器体积缩小一半
C.保持压强不变,充入Ar气使容器体积增大
D.将铁粉换为铁丝
解析:选B Fe为固体,因此增加Fe的量但接触面积不变时,反应速率不变,故A错误;缩小容器体积使H2O(g)和H2(g)浓度增大,反应速率加快,故B正确;恒压下充入Ar使体积增大,H2O和H2浓度降低,反应速率减慢,故C错误;铁丝比铁粉接触面积小,反应速率降低,故D错误。
3.(2026·北京西城区模拟)我国在单原子催化剂领域成绩斐然。单原子催化剂是指孤立的金属原子均匀分散在载体表面,发生催化的位点落在单个原子上。
下列说法不正确的是 ( )
A.催化剂能提高化学反应速率
B.单原子催化剂能降低反应的焓变
C.单原子催化剂中原子的利用率高
D.单原子催化剂催化效率高于传统催化剂
解析:选B 催化剂通过降低反应的活化能提高化学反应速率,故A正确;催化剂只能改变反应的活化能,不能改变反应的焓变,焓变由反应物和生成物的总能量差决定,故B错误;单原子催化剂中金属原子孤立分散在载体表面,每个原子都可作为催化位点,原子利用率高,故C正确;单原子催化剂活性位点数量多且分散均匀,催化效率通常高于传统催化剂,故D正确。
4.在Ag+催化作用下,Cr3+被S2氧化为Cr2的机理为
①S2+2Ag+==2S+2Ag2+ 慢
②2Cr3++6Ag2++7H2O==6Ag++14H++Cr2 快
下列有关说法正确的是 ( )
A.反应速率与c(Ag+)无关
B.Ag2+是该反应的催化剂
C.Ag+能降低该反应的活化能
D.v(Cr3+)=2v(S2)
解析:选C 反应速率由慢反应(步骤①)决定,Ag+是步骤①的反应物,故速率与c(Ag+)有关,故A错误;Ag2+在步骤①生成,步骤②被消耗,符合这种特点的是中间产物而非催化剂,故B错误;银离子在步骤①被消耗,步骤②生成,符合这种特点的是催化剂,银离子作为催化剂,通过参与反应降低活化能,从而加快反应速率,故C正确;总反应:7H2O+2Cr3++3S2Cr2+6S+14H+中3 mol S2对应2 mol Cr3+,速率关系为v(Cr3+)=v(S2),故D错误。
5.(2026·郑州模拟)扎染是我国传统的手工染色技术,染色的核心工艺流程如下,依据流程下列推论错误的是 ( )
A.制备环节:改变还原剂可调控化学反应速率
B.退浆环节:加入催化剂能大幅度加快化学反应速率
C.染色环节:升高体系温度化学反应速率加快
D.上述流程涵盖了影响化学反应速率的所有因素
解析:选D 制备环节:传统工艺氢气还原需要7~15天,现代工艺用连二硫酸钠还原需要30 min,改变还原剂可调控化学反应速率,故A正确;退浆环节:加入催化剂降低反应的活化能,能大幅度加快化学反应速率,故B正确;染色环节:升高体系温度,化学反应速率加快,故C正确;题述流程未涵盖影响化学反应速率的所有因素,如浓度影响等,故D错误。
6.一定条件下,反应A(g)+B(g)⇌2C(g)的速率方程为v=k(k为速率常数),某温度下,该反应在不同浓度下的反应速率如下:
组别
cA/(mol·L-1)
cB/(mol·L-1)
cC/(mol·L-1)
反应速率/
(mol·L-1·min-1)
①
1
1
2
v
②
1
4
2
v
③
2
1
2
16v
④
2
1
4
4v
⑤
4
8
4
m
根据表中的测定结果,下列结论错误的是 ( )
A.此反应中,若其他条件不变,反应物的浓度越大,化学反应速率一定越快
B.由①②可知反应速率与B物质浓度无关
C.a=4,b=0,r=-2
D.m=64v
解析:选A 将表中数据代入速率方程得由①②,b=0,由①③,a=4,由③④,r=-2,同时可计算出k=4v。由①②可知增大B的浓度,反应速率不变,与B物质浓度无关,故A错误,B正确;a=4,b=0,r=-2,将表中第⑤组数据代入速率方程可求m=44×80×4-2×4v=64v,故C、D正确。
7.(2026·随州模拟)为探究Cu2+对H2O2分解是否有催化作用,分别取10 mL 30% H2O2(约10 mol·L-1)于四支试管中,控制其他条件相同,进行实验获得如下表数据(氧气为标准状况下的体积)。下列有关说法不正确的是 ( )
实验
编号
所加
试剂
控制
温度/℃
生成氧气平均速率(mL·min-1)
第1个
3 min
第2个
3 min
第3个
3 min
①
1 mL
1.0 mol
·L-1CuSO4
20
2.4
2.7
2.8
②
30
9
10
10
③
40
90
63
28
④
1 mLH2O
40
1.0
1.2
1.3
A.Cu2+对H2O2分解有催化作用
B.Cu2+对H2O2分解催化效率可能随温度升高而提高
C.实验③第1个3 min H2O2的平均反应速率约为2.4 mol·L-1·min-1
D.为得到更可靠的结论,实验①②③还需排除S的干扰
解析:选C 对比实验③④可知,③的反应速率大于④,说明Cu2+对H2O2分解有催化作用,故A正确;实验②③说明,随着温度升高,Cu2+对H2O2分解的催化效果明显提高,所以Cu2+对H2O2分解催化效率可能随温度升高而提高,故B正确;实验③第1个3 min生成氧气平均速率为90 mL·min-1,由2H2O2==2H2O+O2↑,则H2O2的平均反应速率约为×2≈0.8 mol·L-1·min-1,故C错误;加CuSO4,可能是Cu2+造成的影响,也可能是S造成的影响,所以为得到更可靠的结论,实验①②③还需排除S,故D正确。
8.(2026·龙岩一模)某同学探究浓度对反应速率的影响,有关试剂用量和现象如下表所示。
实验
序号
KMnO4
稀溶液
H2SO4
3 mol·L-1
CH3COOH
6 mol·L-1
KBr0.1 mol·L-1
实验现象
1
2滴
0.5 mL
0 mL
0.5 mL
溶液紫色瞬间褪去,溶液略显黄色
2
2滴
0 mL
0.5 mL
0.5 mL
开始不褪色,后来出现黑色沉淀(悬浊液),溶液略显黄色
已知:Mn在酸性溶液中按以下顺序分步被还原:Mn→MnO2→Mn2+。下列说法错误的是 ( )
A.溶液显黄色说明生成了Br2
B.实验1中反应速率:MnO2→Mn2+>Mn→MnO2
C.将实验2中悬浊液pH调小,可能得到澄清溶液
D.该实验可以验证浓度对反应速率的影响规律
解析:选D 溴水呈黄色,实验中溶液显黄色说明KBr中的Br-被氧化为Br2,故A正确;实验1中溶液紫色瞬间褪去,说明Mn被快速还原为Mn2+,而不是停留在MnO2阶段,所以反应速率MnO2→Mn2+>Mn→MnO2,故B正确;实验2中生成的黑色沉淀为MnO2,MnO2在酸性条件下可以被还原为Mn2+,从而使悬浊液变为澄清溶液,故C正确;实验1和实验2中,不仅酸的浓度不同,酸的种类也不同(硫酸是强酸,醋酸是弱酸),存在两个变量,不能单纯验证浓度对反应速率的影响规律,故D错误。
9.(2024·黑吉辽卷)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是 ( )
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率v(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
解析:选A 3 h时异山梨醇的浓度仍在增大,1,4⁃失水山梨醇的浓度仍在减小,说明此刻反应②未达到平衡状态,即正、逆反应速率不相等,A错误;由题图可知,3 h时山梨醇的浓度已为0,副产物的浓度不变,说明反应①、③均是不可逆反应,15 h后异山梨醇的浓度不再变化,1,4⁃失水山梨醇的浓度大于0,说明反应②是可逆反应,则该温度下的平衡常数:①>②,B正确;0~3 h内平均速率v(异山梨醇)==0.014 mol·kg-1·h-1,C正确;反应②使用催化剂能加快反应速率,缩短达到化学平衡状态的时间,但是催化剂对化学平衡移动无影响,故加入催化剂不改变其平衡转化率,D正确。
10.(2024·安徽卷)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
78 / 104
$