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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
2.1.1 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：
关注化学反应速率在环境保护中的应用（如污染物降解速率），树立 “绿色化学 — 速率优化” 的社会责任意识。
证据推理与模型认知：
通过 “三段式” 法计算反应速率，建立 “起始浓度 — 转化浓度 — 平衡浓度” 的定量分析模型，实现知识迁移应用 。
宏观辨识与微观探析：
通过分析不同物质表示的反应速率数值差异，理解化学反应中各物质浓度变化与化学计量数的关系，形成 “物质转化 — 速率关联” 的系统思维。
教学重难点
重点
用单位时间内反应物或生成物浓度变化表示速率，理解不同物质速率数值与化学计量数的关系。
运用 “三段式” 法进行浓度变化、速率大小的计算，掌握速率单位的换算。
通过归一法或比值法比较不同物质表示的速率快慢，了解测定速率的实验方法。
难点
结合化学计量数进行不同物质速率的相互换算，理解 “三段式” 法中转化浓度与化学计量数的对应关系。
从微观有效碰撞理论解释浓度、温度等因素对速率的影响，避免将速率表示与物质转化量混淆。
在测定反应速率的实验中，分析数据偏差的原因，提升实验误差控制能力。
课前导入
当你看到烟花绽放的瞬间绚烂，是否想过火药爆炸的速率有多快？而铁生锈的过程为何又如此缓慢？化学反应速率的差异背后藏着怎样的科学奥秘？1850 年，威廉米首次用旋光仪测定了蔗糖水解速率，开启了定量研究反应速率的先河。如今，从火箭燃料的快速燃烧到塑料的缓慢老化，反应速率的调控已成为化学研究和工业生产的关键课题。
今天，我们将从 “龟兔赛跑” 的速率对比实验入手，学习如何用浓度变化定量描述反应快慢，探索影响速率的 “魔法因素”，甚至尝试为某化工厂设计一套提升反应效率的方案，揭开化学反应速率的神秘面纱！
01
化学反应速率
调控化学反应速率的重要意义
在生产、生活中，人们会遇到各种各样的化学反应，反应所需的时间往往有较大差异。例如，爆炸反应、酸碱中和反应进行得非常快，几乎在瞬间就能完成；食物腐败、钢铁生锈稍慢，需要数日至数月；而岩石风化、化石的形成则极为缓慢，在有限的时间内难以察觉。此处的“非常快”“稍慢”与“极为缓慢”可以用“化学反应速率”这个物理量来定量地描述。根据实际情况，有些化学反应人们希望能快一些，如合成氨、工业炼铁；有些化学反应人们希望其越慢越好，如塑料的老化。因此，调控化学反应速率具有重要的意义。
爆炸反应与酸碱中和反应
观察思考
室温下，有少量催化剂存在时，过氧化氢在水溶液中发生分解反应：
2H2O2 O2↑+2H2O
反应过程中过氧化氢的物质的量浓度变化如下表所示。
H2O2 分解过程中浓度随时间的变化 t/min 0 20 40 60 80
c(H2O2)/(mol ·L- ) 0.80 0.40 0.20 0.10 0.05
1. 在右边的坐标中作出H2O2分解反应的浓度-时间曲线。
2. 以10 min为时间间隔，请观察任意一个10 min间隔内H2O2的物质的量浓度的改变值。这些数据给你什么启迪？
观察思考
观察思考
以0 - 10min为例浓度改变值计算
初始浓度c0(H2O2)=0.80mol/L，10min时假设浓度为c10(H2O2)根据反应速率的特点以及后续数据的变化规律，可推测在0 - 10min内的平均反应速率近似等于0 - 20min内的平均反应速率。
0 - 20min内Δc=0.80mol/L 0.40mol/L=0.40mol/L所以0 - 10min内Δc≈0.20mol/L（实际会略大于此值），c10(H2O2)≈0.60mol/L
启示
从数据可以看出随着反应的进行，单位时间内H2O2浓度的降低值逐渐变小，说明反应速率在逐渐减慢。这是因为过氧化氢的分解反应是一个随着反应物浓度降低而反应速率逐渐降低的反应，符合一般化学反应速率随反应物浓度变化的规律。
概念、表达式及单位
→概念：
化学反应速率是衡量化学反应快慢的物理量，可以用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示化学反应速率。
→数学表达式：v＝。
Δc表示反应物或生成物物质的量浓度的变化(取绝对值)，常用单位mol·L－1。
Δt表示一定的时间间隔，常用单位s、min或h。
→常用单位：
mol·L-1·min-1或mol·L-1·s-1。
化学反应速率的特点
(1)化学反应速率是一段时间(Δt)内的平均反应速率,而不是瞬时反应速率。
(2)固体或纯液体的浓度记为常数,Δc=0,因此不用固体或纯液体的浓度变化表示化学反应速率。
(3)无论是反应物还是生成物,其化学反应速率均取正值。
(4)同一反应,可以采用不同物质的浓度变化量表示速率,表示的意义相同,但数值可能不同。一种物质的速率代表了整个化学反应的速率。因此在表示某反应的化学反应速率时要指明具体哪种物质。
(5)各物质表示的速率之比等于该反应方程式中的化学计量数之比。
交流讨论
N2O5在四氯化碳溶液中的分解反应为：
2N2O5 = 4NO2＋O2
实验测得，在67 ℃时，反应体系中各物质的浓度随时间的变化如表2-2所示。
1. 请分别用反应物和生成物的物质的量浓度在单位时间内的变化来表示该反应的速率，将计算结果填入表中
2. 通过计算可以发现，虽然反应物和生成物的物质的量浓度在单位时间内的变化都可表示该反应的速率，但是其数值却不一定相同。请将其数值与化学方程式中相应物质前的化学计量数进行比较，归纳总结它们之间的关系。
交流讨论
N2O5在四氯化碳溶液中发生分解反应的实验数据 t/min 0 1 2 3 4 5
N2O5 c(N2O5)/(mol ·L- ) 1.00 0.71 0.50 0.35 0.25 0.17
△c(N2O5)/(mol ·L- ) - 0.29 0.50 0.65 0.75 0.83
(mol ·L- ·min-1) - 0.29 0.25 0.217 0.1875 0.166
NO2 c(NO2)/(mol ·L-1) 0 0.58 1.00 1.30 1.50 1.66
△c(NO2)/(mol ·L- ) - 0.58 1.00 1.30 1.50 1.66
(mol ·L- ·min-1) - 0.58 0.50 0.433 0.375 0.332
O2 c(O2)/(mol ·L- ) 0 0.15 0.25 0.33 0.38 0.42
△c(O2)/(mol ·L- ) - 0.15 0.25 0.33 0.38 0.42
(mol ·L- ·min-1) - 0.15 0.125 0.11 0.095 0.084
用不同物质表示同一反应的反应速率
→表示方法：
对于化学反应aA＋bB=cC＋dD，用不同物质表示的化学反应速率：
v(A)= ，v(B)=，v(C)=，v(D)=。
→用不同物质表示的反应速率之间的关系：
用不同物质表示同一化学反应在同一时间段内的反应速率时，化学反应速率之比等于化学方程式中个物质的化学计量数之比。
即v(A)：v(B)：v(C)：v(D)=a：b：c：d
学反应速率计算的一般方法
→定义式法:
找出各物质的起始量、某时刻量,求出转化量,
利用公式v=计算化学反应速率,也可以利用该公式计算浓度变化量或反应时间。
→关系式法:
用已知物质的化学反应速率,计算其他物质表示的化学反应速率,
化学反应速率之比=物质的量浓度的变化量之比=物质的量的变化量之比=化学计量数之比。
化学反应速率计算的一般方法
→三段式法:
a.写出有关反应的化学方程式。
b.找出各物质的起始量、转化量、某时刻量;转化量之比等于化学计量数之比。
c.根据已知条件列三段式。
例如:反应　　 mA(g) + nB(g) = pC(g)
起始浓度/(mol·L-1) a b c
转化浓度/(mol·L-1) x
某时刻浓度/(mol·L-1) a-x b- c+
化学反应速率大小的比较方法
同一化学反应速率用不同物质表示时数值可能不同,比较化学反应速率的快慢不能只看数值大小,还要进行一定的转化。
(1)归一法:若单位不统一,则要换算成相同的单位;若为不同物质表示的反应速率,则要换算成同一物质来表示反应速率;再比较数值的大小。
(2)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)+dD(g)，
比较与，若
则说明用A表示的化学反应速率大于用B表示的化学反应速率。
02
化学反应速率的测定
化学反应速率的测定
化学反应速率可通过实验测定。要测定不同时刻反应物或生成物的浓度，可观察、测量体系中某一物质的相关性质，再进行适当的转换和计算。例如，过氧化氢的分解反应中有气体生成，可以测量在一定温度和压强下释放出来的气体的体积；当溶液中存在有色物质时，随着反应的进行，溶液的颜色不断变化，可以用比色的方法测定溶液颜色的深浅，再根据溶液颜色的深浅与有色物质浓度的正比关系，确定反应物或生成物在不同时刻的浓度。
用于比色分析的分光光度计
化学反应速率的测定
盐酸与大理石反应生成CO2气体，通过测量一定时间内产生CO2气体的体积，可测定该反应的速率。请完成下列化学反应速率的测定实验。
1. 如图2-4所示，在锥形瓶中放入5 g大理石，加入20 mL 1 mol·L－1盐酸。每隔10 s观测玻璃注射器中气体的体积，将实验数据记录到表2-3中。
2. 以mL·s－1为反应速率的单位，计算每10 s时间间隔内的反应速率，将计算结果填入表中。
盐酸与大理石反应
的实验装置图
化学反应速率的测定
时间/s 10 20 30 40 50 60
气体体积/mL 4 14 25 38 47 55
反应速率/(mL·s-1) 0.4 1.0 1.1 1.3 0.9 0.8
化学动力学的发展
自1850年以威廉米测定蔗糖水解反应速率作为化学动力学研究的开端至今，化学动力学的理论和实验研究取得了重大进展。
其研究不仅涉及一般的反应，还涉及聚合反应、催化反应、爆炸反应、生化反应、光化学反应以及化学振荡反应等特殊反应的动力学规律。
20世纪40年代基元反应速率理论提出后，化学动力学研究开始深入到微观领域。由于闪光光解技术的应用，寿命短暂的自由基相继被发现。
至20世纪70年代，闪光光解技术的时间分辨率达到10－9 s（纳秒，ns）和10－12 s（皮秒，ps）的水平。而激光技术的应用，又使化学动力学的研究进入了分子动态学的领域。
自20世纪80年代初产生了6×10－15 s（飞秒，fs）的超短光脉冲以来，许多化学和物理学家利用飞秒激光研究超快速化学、物理和生物过程的动力学。
03
课堂小结
04
课堂练习
1.对于反应：CaCO3＋2HCl=CaCl2＋H2O＋CO2↑，下列判断正确的是(　　)
A．用HCl和CaCl2表示的化学反应速率数值不同，但所表示的意义相同
B．不能用CaCO3的浓度的变化来表示化学反应速率，但可以用水来表示
C．用H2O和CO2表示的化学反应速率相同
D．用单位时间内CaCl2浓度的减小来表示其化学反应速率
A
2．氨分解反应在容积为2 L的密闭容器内进行。已知起始时氨气的物质的量为4 mol，5 s末为2.4 mol，则用氨气表示该反应的平均速率为(　　)
A．0.32 mol/(L·s)　 B．0.16 mol/(L·s)
C．1.6 mol/(L·s) D．0.8 mol/(L·s)
B
3．将5.6 g铁粉投入盛有100 mL 2 mol·L－1稀硫酸的烧杯中，2 min时铁粉刚好溶解完全；若反应前后溶液的体积不变，则0～2 min内，该反应的平均速率可表示为(　　)
A．v(Fe)＝0.5 mol·L－1·min－1 B．v(H2SO4)＝1 mol·L－1·min－1
C．v(H2)＝1 mol·L－1·min－1 D．v(FeSO4)＝0.5 mol·L－1·min－1
D
4．用甲、乙两装置测定锌与稀硫酸的反应速率。下列说法错误的是(　　)
A．甲、乙两实验均需要秒表
B．实验前将乙装置注射器活塞外拉，放开后若回到原位，说明气密性良好
C．其他条件相同时，乙装置所测速率比甲装置误差小
D．甲、乙装置通过测定单位时间内锌的质量变化测定反应速率
D
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