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专题2 化学反应速率与化学平衡
第一单元 化学反应速率
2.1.3 化学反应速率的表示方法
核心素养目标
科学态度与社会责任：
了解催化剂研发对绿色化学和可持续发展的意义，增强化学服务社会、推动技术进步的责任意识。
证据推理与模型认知：
运用该模型解释生活实例和工业应用，实现知识迁移与模型应用。
宏观辨识与微观探析：
结合基元反应模型，从微观反应历程角度，分析复杂反应速率由慢步骤决定的规律。
教学重难点
重点
通过 H O 分解实验，验证催化剂能显著加快反应速率；理解催化剂 “降低活化能、不改变反应平衡” 的特性。
理解过渡状态、活化能的概念，以及催化剂降低活化能的微观机制。
区分基元反应和复杂反应，理解复杂反应速率由慢步骤决定的原理。
难点
结合能量变化图像，理解活化能与反应速率、反应热的关系，区分催化剂对活化能和反应热的不同影响。
运用基元反应模型，分析复杂反应的速率决定步骤，并解释外界条件对复杂反应速率的影响。
理解催化剂 “专一性”在工业生产中的意义，以及新型催化剂研发的挑战与价值。
课前导入
生活中藏着很多 “催化剂的魔法”！生物体内，酶能让复杂反应在温和条件下瞬间完成（如唾液淀粉酶分解淀粉）；工业上，催化剂更是 “效率神器”—— 合成氨用的铁触媒，让原本难发生的反应高效进行；汽车尾气中的催化剂，能把有毒气体快速转化为无害物质。
今天，我们将通过H2O2分解实验，亲眼见证催化剂的 “加速魔力”，用过渡态理论揭秘微观反应的 “能量密码”，还会解锁基元反应、酶催化等知识，让你从 “现象观察者” 变身 “催化机制解密师”！现在，先看看 FeCl3溶液和 MnO2对 H2O2分解的催化效果有啥不同吧！
01
催化剂对反应速率的影响
过渡态理论
实验探究催化剂对反应速率的影响
→实验原理：
通过使用不同催化剂观察反应速率的快慢
→实验现象：
加入MnO2的试管中产生气泡的速率比加入FeCl3溶液的快。
→实验结论：
MnO2对2H2O2分解的催化效果比FeCl3好，加入适合的催化剂可以增大反应速率
催化剂对反应速率的影响
实验表明，催化剂对化学反应速率有显著影响。催化剂是通过降低化学反应所需的活化能来增大反应速率的。
如图所示，有催化剂参与的反应，活化能（Ea1）较小，则反应速率较大；
而没有催化剂参与的反应，活化能（Ea2）较大，则反应速率较小。
过渡态理论
反应物转化为生成物的过程中要经过能量较高的过渡状态。过渡状态的平均能量与反应物分子的平均能量的差为反应的活化能。
Ea为正反应的活化能，Ea'为逆反应的活化能。
化学反应速率与反应的活化能大小密切相关，活化能越小，反应速率越大。
正反应的ΔH=Ea-Ea'。
运用碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响
使用催化剂
当其他条件相同时候
改变反应历程
降低反应的活化能
使更多反应物分子成为活化分子
活化分子百分数增大
化学反应速率增大
基元反应模型与化学反应历程
如图所示：反应A+B→AB的活化能为Ea，加入催化剂K后，反应分两步进行：
加入催化剂K后，两步反应的活化能Ea1和Ea2均小于原反应的活化能Ea，因此反应速率加快。
由于Ea1>Ea2，第1步反应是慢反应，是决定整个反应快慢的步骤，称为“定速步骤”或“决速步骤”，第1步反应越快，则整体反应速率就越快。
对总反应来说，第一步反应的活化能Ea1就是在催化条件下总反应的活化能。
①A+K→AK 活化能为Ea1（慢反应）
②AK+B→AB+K 活化能为Ea2(快反应)
总反应：A+BAB 活化能为Ea1
酶的催化作用
酶是一种特殊的、具有催化活性的生物催化剂，它存在于动物、植物和微生物中。与生命现象关系密切的化学反应大多是酶催化的。可以说，没有酶的催化作用，就不可能有生命现象。
通常认为，酶的催化作用是酶与反应物先形成中间化合物，然后中间化合物分解成产物并释放酶
酶催化的特性
高效的催化活性：
酶的催化效率比非酶催化要高得多。如在人体正常体温时，食物中蛋白质的水解在胃蛋白酶的作用下短时间内就能完成，而在体外需要在浓的强酸或强碱的作用下煮沸相当长时间才能完成。
高度的选择性：
一种酶只能催化一种或一类物质的反应。如淀粉酶只能催化淀粉的水解，而不能催化纤维素的水解；尿素酶只能催化尿素的水解，对尿素取代物的水解反应无催化作用。
特殊的温度效应：
酶对温度非常敏感。酶催化反应通常在比较温和的条件或常温常压下进行，温度过高会引起酶蛋白变性，从而使酶失去活性。
其他因素对反应速率的影响
除了改变反应物的浓度、压强、温度和使用催化剂能改变化学反应速率外，许多方法也能改变反应速率。
如增大反应物间的接触面积，反应速率会随之增大。
例如，在硫酸工业中，硫铁矿在焚烧前要先用粉碎机粉碎，以增大矿石与氧气的接触面积，加快燃烧；在三氧化硫的吸收阶段，吸收塔里要装填瓷环，增大气液接触面积，使气体的吸收速率增大。
此外，光、电磁波、超声波等因素也会对反应速率产生影响。
化学反应速率的辩证分析与合理应用
化学反应为何有快有慢？影响化学反应速率的主要因素有哪些？我们可以从事物变化的内因和外因两方面辩证地分析和研究。
一是内因，即物质的本性。在通常情况下，有些物质混合后没有发生化学变化，但改变其中的某种反应物，化学反应随之发生，如银与稀盐酸不反应，而锌与稀盐酸混合立即产生氢气，这是由两种不同金属的本性决定的，即锌是较活泼金属，而银不活泼。在相同条件下，同类型的某些反应物能转化为同类型的产物，但反应速率差异很大，如镁在冷水中反应生成氢氧化镁，过程缓慢，而钠遇冷水剧烈反应生成氢氧化钠。
二是外因。化学反应速率受制于许多外界条件的影响，我们可以根据反应物的性质和反应的特点（即内因）选择恰当的反应条件（外因）来调控反应速率。例如，镁与水的反应可以通过升高温度来增大反应速率，实验室用大理石与盐酸反应制CO2可以通过调节盐酸的浓度控制生成CO2的速率不至于过小或过大，H2O2分解制O2时可以加入少量MnO2增大反应速率。
化学反应速率的辩证分析与合理应用
因此，我们可以通过内因、外因两方面的分析，合理地调控化学反应速率，在科学研究和生产、生活中发挥更大的作用。
例如，不少国家曾用铜做硬币材料，20世纪80年代因铜太昂贵需要寻找替代金属。锌与铜的硬度、密度接近，且锌比铜便宜，锌便成为首选金属。但锌比铜更活泼，锌制的硬币在空气中被腐蚀的速度较快，很快锌也被放弃而改用铜锌合金。又如，对气体反应合成氨而言，工业上通常是在较高温度（500℃左右）、较大压强（1.3×107~3×107Pa）和含铁化合物的催化剂条件下进行，以保证有较大的反应速率。目前环境问题的解决也依赖于催化剂的使用，如在汽车尾气排气口装上催化处理器，能将有毒气体转化为无毒气体；生物降解催化剂能促进一些工业废品或生活垃圾中的部分残留物显著降解，而不对环境造成污染，甚至可以将工业和生活废物较快地转化为可利用资源等
02
化学反应速率图像分析
全程速率–时间图
以Zn与足量盐酸的反应为例,反应速率随时间的变化如图所示。
AB段:Zn与盐酸的反应是放热反应,随反应进行,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
物质的量–时间图
由图像得出的信息:
①X、Y是反应物,Z是生成物;
②t3s时反应达到平衡,X、Y没有全部反应
浓度–时间图
根据图像可进行如下计算:
①确定化学方程式中的化学计量数之比,如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为
(n1-n3):(n2-n3):n2
②某物质达到平衡时的平均反应速率或某反应物的转化率,如:
X的平均反应速率v(X)=mol.L-1.s-1;
Y的转化率α(Y)=×100%
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
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
03
课堂小结
04
课堂练习
1．某反应过程中能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能，E2表示逆反应的活化能)。下列有关叙述正确的是(　　)
A．该反应为放热反应
B．催化剂能改变该反应的焓变
C．催化剂能降低该反应的活化能
D．逆反应的活化能大于正反应的活化能
C
2．在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X―→2Y的影响，各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图，则(　　)
A．无催化剂时，反应不能进行
B．与催化剂Ⅰ相比，Ⅱ使反应活化能更低
C．a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D．使用催化剂Ⅰ时，0～2 min内，v(X)＝1.0 mol·L－1·min－1
D
3．在实验Ⅰ和实验Ⅱ中，用一定量、一定浓度的盐酸与足量的石灰石反应，并在一定的时间内测量反应所放出的CO2的体积。实验Ⅰ用的是块状的石灰石，实验Ⅱ用的是粉末状的石灰石。下图中能正确反映这两种实验结果的图像是(　　)
B
4．为了研究一定浓度Fe2＋的溶液在不同条件下被氧气氧化的氧化率，实验结果如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．pH越小，氧化率越小
B．温度越高，氧化率越小
C．Fe2＋的氧化率仅与溶液的pH和温度有关
D．实验说明降低pH、升高温度有利于提高Fe2＋的氧化率
D
感谢您的聆听

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