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专题3 化学反应原理
第三单元 化学反应速率与化学平衡
第1讲 化学反应速率及其影响因素
一、课程标准要求
1．知道化学反应速率的表示方法，了解测定化学反应速率的简单方法。
2．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。
3．知道催化剂可以改变反应的历程，对调控化学反应速率具有重要意义。
4．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。
二、在高中化学教材体系中的地位
化学反应速率等化学反应原理知识，是在学习了化学反应与能量、元素周期律等知识的基础上学习的中学化学的重要理论之一，有助于加深理解以前所学的元素化合物知识及化学反应，后续学习的电离平衡、水解平衡等，实际上是化学平衡知识的延续，因此它还是后一章内容学习的基础。
教材中这部分内容是按照如下顺序安排的：化学反应速率→化学反应的方向与限度→化学平衡的移动。化学反应速率属化学动力学的范畴。为了让学生在研究化学反应进行的快慢及如何定量表述上有感性知识，教科书安排了简单易行的实验。在实验过程中使学生体会到，要想准确表达化学反应进行的快慢，就必须建立起一套行之有效的方法：确定起点，确定时间单位，找出易于测量的某种量或性质的变化。要明确反应物的本质决定了反应速率，在影响速率的因素方面着重介绍浓度、压强、温度及催化剂等外界条件对化学反应速率的影响；通过实验和理论分析，使学生由感性认识上升到理性认识。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 化学反应速率及其影响因素(1课时)
第1课时 化学反应速率及其影响因素(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：化学反应速率表示方法及理解注意点？
[例题1] 在2L的密闭容器中，加入1mol A和3molB，发生反应A(s) + 3B(g)2C(g)，半分钟后测得容器中含有0.6molC。下列的反应速率中正确的是( )
A．v(A)=0.005mol/(L·s) B．v(C)=0.01mol/(L·s)
C．v(B)=0.03mol/(L·s) D．v(A)=0.01mol/(L·s)
[归纳总结]
(一)化学反应速率
1．概念：通常用____________________________________或_______________来表示。
2．公式：____________________________。
3．单位：____________________________。
4．注意：
(1)化学反应速率指的是一段时间内的_____________而不是瞬时速率，且都取正值。
(2)同一化学反应，相同条件下不同物质表示的反应速率，其数值_____________，但表示的意义相同，且速率之比等于_________________________。因此，比较反应速率快慢时，应_____________________进行比较。
(3)浓度变化只适用于气体和溶液中的溶质，____________________的浓度视为常数。
(4)化学反应速率越快，反应现象___________(选填“一定”或“不一定”)越明显。
[练习1] 已知A与B反应生成C，假设反应由A、B开始，它们的起始浓度均为1moll·L－1。反应进行2min后A的浓度为0.8mol·L－1，B的浓度为0.6moll·L－1，C的浓度为0.6moll·L－1。
(1)2min内反应的平均速率可表示为：
v(A)=________________，v(B)=________________，v(C)=________________。
(2)三者数值之间的关系是：v(A)=______v(B)=______v(C)。
(3)该反应的化学方程式为____________________________________。
(练习1出处：新教材选择性必修1专题2第一单元书后练习52页第7题。推荐理由：本题考查了化学反应速率的计算及其应用，培养了学生运用“三行式”进行化学反应速率计算的模型认知。)
问题2：如何加快金属铁与盐酸反应制备H2的反应速率？
[归纳总结]
(二)化学反应速率的影响因素
1．内因(决定因素)：___________________，如Na、Mg、Al与等浓度稀硫酸反应的速率由大到小的顺序为___________________。
2．外因(其他条件不变，改变一个条件)：
[练习2] (1)H2O2的分解速率受温度、浓度、催化剂以及溶液酸碱性等多种因素影响。实验测得70℃时，甲、乙两种条件下H2O2浓度随时间的变化如下图所示：
甲 乙
①图甲表明，____________条件相同时，____________越大，H2O2分解速率越快。
②图乙表明，____________条件相同时，____________越大，H2O2分解速率越快。
(2)对于H2O2分解反应，Cu2+也有一定的催化作用。为比较Fe3+和Cu2+对H2O2分解的催化效果，研究小组的同学设计了如图所示的实验。
①可通过观察___________________________________________，比较得出结论。
②有同学提出将0.1mol·L－1FeCl3溶液改为0.05mol·L－1Fe2(SO4)3更为合理，其理由是 ___________________________________________________。
(练习2出处：新教材选择性必修1专题2第一单元书后练习52页第6题。推荐理由：通过具体的问题情境，探究化学反应速率的影响因素，体现“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新精神”的学科素养。)
活动二：重难点突破
问题3：已知N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) △H=－92.4KJ·mol－1。在反应过程中，正反应速率变化如下图，下列说法正确的是( )
A．t1时升高温度 B．t2时使用了催化剂 C．t3时增大压强 D．t4时降低温度
[归纳总结] v－t图象，改变_________,图象是连续的；改变____________________,图象是断开的；改变________________，是同等程度的改变正、逆反应速率。
典例简析
[典型题例] 以软锰矿浆(主要成分MnO2，杂质为Fe、Al等元素的氧化物)和烟气(含有SO2、O2等)为原料可制备Mn2O3。向一定量软锰矿浆中匀速通入烟气，溶液中c(H2SO4)、c(MnSO4)随吸收时间的变化如图所示。软锰矿浆吸收烟气中SO2生成MnSO4。随着吸收时间增加，溶液中c(H2SO4)的增加呈现由慢到快的趋势，其主要原因是____________________。
(典型题例出处：2021江苏适应考二。推荐理由：本题的情境属于生产环保情境中的自然资源利用情境，是以软锰矿浆吸收烟气中SO2制备Mn2O3为载体，考查了外界条件对化学反应速率的影响的必备知识和从题干、图中提取有效信息与化学反应速率的基础知识建立联系的理解与辨析的关键能力，培养了学生利用题给信息基于模型认知分析解决问题的思维方法。)
[解析] 向一定量软锰矿浆中匀速通入烟气，发生反应：MnO2+SO2=MnSO4、2SO2+O2+2H2O=2H2SO4，随着吸收时间增加，溶液中c(H2SO4)的增加呈现由慢到快的趋势，可能原因是生成的Mn2+能够催化O2氧化SO2生成H2SO4的反应。
[答案] 生成的Mn2+能够催化O2氧化SO2生成H2SO4的反应
[小结] 催化剂可改变化学反应速率。
[练习3] 工业上可用红土镍矿(主要成分为NiO、FeO、Fe2O3)制备镍并回收副产物黄铵铁矾［(NH4)2Fe6(SO4)4(OH)12]的工艺流程如下。
(1)“初步沉铁”中，向酸浸后的溶液中通入NH3调节溶液的pH至1.5左右，溶液温度保持80℃左右，鼓入空气，一段时间后沉淀出黄铵铁矾。鼓入的“空气”的作用是________
_______________________________________。
(2)“深度沉铁”中，通入NH3调节溶液pH，溶液温度保持65℃左右，加入H2O2溶液，反应1h后黄铵铁矾沉淀趋于完全。
①溶液中Fe3+转化为黄铵铁矾的离子方程式为__________________________________。
②溶液中c(H2O2)随时间t的变化关系如图所示，反应开始10~20 min内c(H2O2)迅速减小，其原因是___________________________________________。
问题4：反应C(s)+ 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．增加CO的量
B．将容器的体积缩小一半
C．保持体积不变，充入N2使体系压强增大
D．保持压强不变，充入N2使容器体积变大
[归纳总结] 对于气体反应体系，有以下几种情况：
(1)恒温恒容：增加压强→体积______→浓度______→反应速率______
充入反应物→浓度______(总压______)→反应速率______
充入“惰性气体”→浓度______(总压______)→反应速率______
(2)恒温恒压：充入“惰性气体”→体积______→浓度______→反应速率______
问题5：为什么改变反应体系的某些条件，会对化学反应速率有影响呢？
活动三：巩固提升
1．H2O2分解速率受多种因素影响。实验测得70℃时不同条件下H2O2浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．图甲表明，其他条件相同时，H2O2浓度越小，其分解速率越快
B．图乙表明，其他条件相同时，溶液pH越小，H2O2分解速率越快
C．图丙表明，少量Mn 2+存在时，溶液碱性越强，H2O2分解速率越快
D．图丙和图丁表明，碱性溶液中，Mn2+对H2O2分解速率的影响大
2．工业上利用NH3和CO2制取尿素[CO(NH2)2]，有关反应的热化学方程式如下：
反应Ⅰ：2NH3(l)+CO2(g)HNCOONH4(l) △H=aKJ mol-1
反应Ⅱ：HNCOONH4(l)H2O(l)+[CO(NH2)2](l) △H =bKJ mol-1
下列有关说法正确的是( )
A．反应2NH3(l)+CO2(g)H2O(l)+[CO(NH2)2](l)的△H =(a-b)KJ mol-1
B．反应Ⅰ在一定温度下能自发进行，则a>0
C．采用高压，既能加快反应的速率、又能提高原料的平衡转化率
D．生产过程中及时将水分离出去，可以加快反应Ⅱ的正反应速率
3．2021年1月20日中国科学院和中国工程院评选出2020年世界十大科技进展，排在第四位的是一种可借助光将CO2转化为甲烷的新型催化转化方法：CO2+4H2=CH4+2H2O，这是迄今最接近人造光合作用的方法。CO2加氢制CH4的一种催化机理如图，下列说法正确的是( )
A．反应中 La2O3 是中间产物
B．反应中 La2O2CO3 可以释放出带负电荷的CO2·
C．H2 经过 Ni 活性中心裂解产生活化态H·的过程中ΔS>0
D．使用 TiO2 作催化剂可以降低反应的焓变，从而提高化学反应速率
4．由制铝工业废渣(主要含Fe、Ca、Si、Al等的氧化物)制取聚合硫酸铁铝净水剂的流程如下。下列有关说法不正确的是( )
A．控制适当反应温度并不断搅拌，有利于提高铁、铝浸取率
B．Al2O3与稀硫酸反应的离子方程式：Al2O3+6H+=2Al3++3H2O
C．滤液中主要存在的阳离子有：H+、Fe2+、Ca2+、Al3+
D．聚合硫酸铁铝水解形成的胶体具有吸附作用
5．利用金属矿渣(含有FeS2、SiO2及Cu2O)制备(NH4)2Fe(SO4)2晶体的实验流程如下。
(1)煅烧过程中FeS2和Cu2O转化为Fe2O3和CuO。FeS2与O2反应生成Fe2O3和SO2的化学方程式为_______________________________________________。
(2)为提高酸浸过程中铁的浸出率，实验中可采取的措施有__________(填字母)。
A．增加矿渣的投料量 B． 将矿渣粉碎并搅拌
C． 缩短酸浸的时间 D． 适当提高酸浸温度
(3)向酸浸后的溶液中加入过量铁屑，除能将Fe3+转化为Fe2+外，还能___________；检验是否完全被还原的实验操作是___________。
6．CO2/ HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。
(1)CO2催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液(CO2与KOH溶液反应制得)中通入H2生成HCOO ，其离子方程式为 ；其他条件不变，HCO3 转化为HCOO 的转化率随温度的变化如图1所示。反应温度在40℃~80℃范围内，HCO3 催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是 。
图1 图2
(2)HCOOH催化释氢。在催化剂作用下， HCOOH分解生成CO2和H2可能的反应机理如图2所示。
①HCOOD催化释氢反应除生成CO2外，还生成 (填化学式)。
②研究发现：其他条件不变时，以 HCOOK溶液代替 HCOOH催化释氢的效果更佳，其具体优点是 。
7．NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。
(1)NH3与NO2生成N2的反应中，当生成1 mol N2时，转移的电子数为__________mol。
(2)将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应，装置如图1所示。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图2所示，在50～250 ℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是_______________________________________________________。
图1 图2
[参考答案]
1．D
解析：A．由甲图可知，H2O2浓度大，分解快，A错误；B．由图乙可知，溶液的碱性越即pH越大，H2O2分解越快，B错误；C．由图丙可知，有一定浓度Mn 2+存在时，并不是碱性越强H2O2分解速率快，C错误；由图丁可知，碱性溶液中，对H2O2分解有影响，图丁说明M浓度越大，双氧水分解越快，图丙和图丁均能表明碱性溶液中，Mn 2+对H2O2分解速率的影响大，D正确。
2．C
解析：A．根据盖斯定律可知反应Ⅰ+Ⅱ得2NH3(l)+CO2(g)H2O(l)+[CO(NH2)2](l)△H=(a+b)KJ mol-1，故A错误；B．反应Ⅰ是熵减的反应△S<0，反应Ⅰ在一定温度下能自发进行，说明△G=△H-T△S<0，则a<0，故B错误；C． 2NH3(l)+CO2(g)H2NCOONH4 (1)该反应是气体体积减小的反应，增大压强，化学反应速率加快，平衡正向移动，原料的平衡转化率增大，则采用高压，既能加快反应的速率、又能提高原料的平衡转化率，故C正确；D．反应Ⅱ中水是液态，其浓度视为定值，生产过程中及时将水分离出去，对反应速率无影响，故D错误。
3．C
解析：A．根据CO2加氢制CH4的催化机理图示，催化过程使用的催化剂为La2O3，La2O2CO3为中间产物，故A错误；B．根据图示，La2O2CO3可以释放出CO2·，活化分子不带电，故B错误；C．H2经过Ni活性中心裂解产生活化态H·的过程中，分子混乱度增大，△S>0，故C正确；D．催化剂不能降低反应的焓变，可降低反应的活化能，从而提高化学反应速率，故D错误。
4．C
解析：废渣加入稀硫酸和双氧水得到硫酸铁、硫酸铝和硫酸钙，过滤除去SiO2及硫酸钙，滤液加热聚合，进一步得到聚合硫酸铁铝，据此分析解答。A．控制适当反应温度并不断搅拌，可以加快反应速率，充分反应，有利于提高铁、铝浸取率，故A正确；B．Al2O3与稀硫酸反应生成硫酸铝和水，根据质量守恒写出离子方程式，故B正确；C．双氧水具有强氧化性会将亚铁离子氧化，故C错误；D．聚合硫酸铁铝水解可以生成氢氧化铝和氢氧化铁胶体，故D正确。
5．(1)4FeS2+11O2==2Fe2O3+8SO2。 (2)BD
(3)将Cu2+转化为Cu；取少量还原后的上层清液，向其中滴加KSCN溶液，若溶液不变红，则Fe3+已经被完全还原。
解析：(1)由题意可知，FeS2与O2煅烧生成生成Fe2O3和SO2，根据原子守恒和化合价升降守恒，可得化学方程式为：4FeS2+11O2==2Fe2O3+8SO2。
(2)A．增加矿渣的投料量，不一定能够提高铁的浸出率，甚至会降低铁的浸出率，故A错误；B．将矿渣粉碎并搅拌，即可以增大接触面积，也可以加快浸取速率，从而提高浸出率，故B正确；C．缩短酸浸的时间，反而会降低浸出率，故C错误；D．适当提高酸浸温度，加快酸浸速率的同时，也可以提高浸出率，故D正确。
(3)向酸浸后的溶液中加入过量铁屑，除能将Fe3+转化为Fe2+外，还能将Cu2+转化为Cu，方程式为：Fe+Cu2+=Cu+Fe2+；检验Fe3+是否完全被还原的实验操作是取少量还原后的上层清液，向其中滴加KSCN溶液，若溶液不变红，则Fe3+已经被完全还原。
6．(1)HCO3－+H2==HCOO－+H2O；温度升高反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强。
(2)①HD ②提高释放氢气的速率，提高释放出氢气的纯度。
解析：(1)催化剂作用下，KHCO3加氢生成 HCOOK和H2O，离子方程式为HCO3－+H2==HCOO－+H2O；其他条件不变，仅改变温度，导致转化率迅速上升，则要从影响反应速率的因素角度入手，首先考虑催化剂的活性增强。
(2)①H、D是氢元素的同位素，认真观察催化释氢的反应机理图，HCOOD中的两个氢原子先后断键被吸附，HCOOD→CO2，两个氢原子(H和D)结合生成HD。
②因HCOOK易电离产生HCOO－，使得释氢速率加快，同时提高释放氢气的纯度。
7．(1) (2)迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大，催化剂活性下降。
解析：(1)NH3与NO2的反应为8NH3+6NO27N2+12H2O，该反应中NH3中-3价的N升至0价，NO2中+4价的N降至0价，生成7molN2转移24mol电子，生成1molN2时转移电子数为mol。
(2)因为反应时间相同，所以低温时主要考虑温度和催化剂对化学反应速率的影响；高温时NH3与O2发生催化氧化反应。在50~250℃范围内，NOx的去除率迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大，温度升高催化剂活性下降。
二、教学建议
1．这部分内容题型特征是通过陌生复杂的环境+陌生的图像形式，综合考察反应速率，主要定性分析外界条件对反应速率的影响，要能够从众多信息中提取有效信息，了解陌生图像的分析方法，特别是对横、纵坐标轴含义的分析，多曲线含义的分析等。
2．这部分内容题型文字量大，图像、图表多，设问角度多，可通过对应训练熟悉题型的结构特征和设问特点，总结破解此类题目的经验。
三、情境素材
1．合成氨工业
(1)简要流程：
(2)原料气的制取：
N2：将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。
H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气)在高温下制取。
制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。因为O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。合成氨反应中的铁催化剂，但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。
(3)氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。
(4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循坏送入合成塔，使之充分利用。
(5)合成氨反应的特点：合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应。
(6)合成氨生产的工业要求：
①反应要有较大的反应速率；
②要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。
(7)合成氨条件选择的依据：
运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。
反应条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择
增大压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡混合物中NH3的产量 研究表明，在400°C，压强超过200MPa时，不使用催化剂，氨便可顺利合成，但实际生产中，太大的压强需要的动力就大，对材料要求也会增高，这就增加了生产成本，因此，受动力材料设备影响，我国合成氨厂一般采用20MPa~50MPa。
升高温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的产量 从理想条件看，氨的合成在较低温度下进行有利，但温度过低，反应速率会很小，并且在500°C时催化剂铁触媒的活性最大，故在实际生产中，一般选用500°C。
使用催化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上采用铁触媒(以铁为主，混合的催化剂)，铁触媒在500°C时活性最大，这也是合成氨选在500°C的原因。
(8)合成氨适宜条件：500℃左右、20MPa—50MPa、铁触媒催化剂，除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气，以有利合成氨反应。
(9)合成氨生产示意图：
2．生活中改变化学反应速率的例子：
(1)温度：
炎热夏天食物容易坏，因为温度高，反应速率加快，而放在冰箱里面就不容易坏了；
用洗洁精洗碗，温水洗的要快一些，凉水慢一些；
小苏打蒸馒头，用温水发酵的快一些.
(2)浓度：
往锅炉里通入空气，增大氧气浓度，使燃烧加。
(3)压强：
汽车发动机中活塞快速压缩可燃气体，使压强增大，温度升高，反应加快；
喝椰子汁时要在椰子上开两个洞，一个插吸管，一个与外界大气相通，便于吸出椰子汁；
(4)催化剂：
做面食类 (如馒头)之前的发酵其实用的就是酵母菌的催化(催化剂)加快化学反应速率；
猕猴桃买回来不是很熟，放个熟透的苹果进去，很快香蕉也熟了，成熟苹果散发出的乙烯催熟猕猴桃；
洗衣粉里的酶，可以充当催化剂，加快污物的清洗；
食用油脂里加入没食子酸正丙酯，可以有效地防止酸败(催化剂不一定都是加快反应速率，这里的没 (读mo)食子酸就是一种减慢速率的即负催化剂)。
(5)固体接触面积：
烧煤时将煤块弄小点更容易燃烧(增大一定量固体的表面积，利于化学速率的加快)；
将铁表面涂油漆，减慢化学反应速率(减小接触面积)。
浓度
增大反应物的浓度，反应速率________，反之，________。
温度
升高温度，反应速率________，反之，________。
压强
对于有______参加的反应，增大压强，反应速率________，
反之，________。
影响反应速率的外因
催化剂
使用催化剂________反应速率，对于可逆反应，正逆反应速率的改变程度______。
其他因素
反应物的__________________、光辐射、放射性辐射、超声波，还有形成原电池也可加快某些反应的速率。
高温
高温
高温
催化剂
催化剂
7

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