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第二章　化学反应速率与化学平衡
化学反应速率及限度涉及初中、高中必修、选择性必修三个学习阶段的内容:
初中:反应的快慢(冷热)、反应条件(燃烧是否完全)、量的多少(少量和过量)会对生成物产生一些影响等基础的化学反应。
高中必修第二册:化学反应速率描述化学反应的快慢,反应限度(可逆反应),化学平衡的初步了解。
高中选择性必修1《化学反应原理》:化学平衡的移动,各种因素对化学平衡的影响,化学反应速率与化学平衡的关系。
这三个学习阶段呈现螺旋式上升的特点,三个阶段都是根据中学生的心理发展特点所制定的,本单元的知识处于最高地位,起着总结、归纳、提升的作用,不仅在本书中是学科知识的关键,也是整个化学学习的重要组成部分。
本章主要学习的是有关化学反应的快慢(速率)、化学反应的限度(化学平衡)和化学反应进行的方向(推动力)及化学反应的调控四方面内容,是化学反应原理的重要组成部分,也是在学习了元素周期律、化学反应与能量等知识的基础上学习的中学化学的重要理论之一。内容上有助于加深理解以前所学的元素化合物知识及化学反应,同时也是解释电离平衡、水解平衡等一些平衡现象的基础,起着中介和桥梁的作用,为第三章的学习奠定了理论基础。
选择性必修1中以化学反应速率为第二章的开篇,重点是化学反应速率的定量表示方法,难点是通过实验测定某些化学反应速率。通过学习过程使学生初步学会运用化学视角,去观察生活、生产和社会中有关化学反应速率的问题。这部分内容是后面学习影响化学反应速率的因素、化学平衡、化学反应进行的方向的基础,教材中通过多角度认识化学变化和运用化学反应原理解决化学实际问题的例子,使学生在掌握化学反应的实质、能量变化的本质、反应速率和限度及其调控等学科核心知识的同时,体会科学分析与探究的方法,认识化学学科价值,感受化学的魅力,对学生的后续学习有着深远的影响。
《普通高中化学课程标准(2017版)》对这一章的内容要求如下:
1.化学反应的方向与限度
知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变相关。认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量,知道化学平衡常数的含义。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。通过实验探究,了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。
2.化学反应速率
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。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。知道化学反应是有历程的,理解基元反应活化能对化学反应速率的影响。
3.化学反应的调控
认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂能够改变反应历程,对调控化学反应速率具有重要意义。
1.做好与必修教材的衔接,促使学生学习能力螺旋式上升
学生的学习起点是影响他们学习新知识的重要因素,因此教学中首先要关注学生已有知识基础,做好与必修教材的衔接。在处理好教材衔接的同时,另一方面,针对必修、选择性必修都有的内容,教学中要做到源于必修、又高于必修,促使学生学习能力螺旋式上升。分析选择性必修1与必修教材的相关内容设置,不难发现化学反应速率的计算是化学反应速率这节的重点。
2.创设问题情境,引导学生对实验现象进行分析
本章主要以复习化学反应速率的基础知识为主,但是化学反应速率的表示方法在这里是一个难点。为了增加学生的感性认识,建议在教学中通过实验来引导学生,使学生通过生动直观的实验现象来学习,并留下深刻的印象。同时,及时创设问题情境,引导学生对实验现象进行分析。
3.增设例题,提高学生解题能力
为了进一步提高学生对这部分知识的应用,可以在教学过程中设计三道例题:
(1)利用反应速率的表达式进行简单的计算。
(2)引用三段式,计算反应中各物质的反应速率,目的在于为化学平衡的学习打下基础。
(3)反应速率大小的比较。
4.利用已有知识,实现类比迁移
化学平衡概念的建立是“化学平衡”一节的重点与难点,对这一概念的正确理解直接影响平衡常数及化学平衡移动的学习。为突破这一教学难点,根据学生的认知发展水平和接受能力,从其熟悉的内容出发,帮助他们实现类比迁移,从而降低概念的学习难度。
5运用模型建构,降低思维难度
化学平衡知识内容较为抽象,比较、假设、模型建构是学习该部分内容的主要方法,教学中要注意学科方法的渗透,加强假设、模型建构等学习方法的指导,使化学原理具体化、形象化、直观化,有利于启发学生思维,完成由感性认识向理性认识的飞跃。如在分析压强对平衡移动的影响时,引导学生在头脑中建立这样一个模型,想象一个带有可滑动活塞的密闭容器,若将活塞推进,容器体积减小,反应气体浓度增大,即增大压强;若将活塞拉出,容器体积增大,反应气体的浓度减小,即减小压强。用上述模型再分析恒容下充入惰性气体或与反应无关的气体,以及恒压下充入惰性气体或与反应无关的气体,使抽象的内容具体化,大大降低了思维难度,有利于学生接受。
1.书写平衡常数表达式,平衡常数、转化率的简单计算,利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
2.使用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律,推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化,讨论化学反应条件的选择和优化。
3.实行化学反应速率的简单计算,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,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。
4.使用温度、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、实验室中的实际问题,讨论化学反应条件的选择和优化。
5.针对典型案例,从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。
课题 课时安排
第一节　化学反应速率　 3课时
第二节　化学平衡 3课时 3课时
第三节　化学反应的方向 1课时
第四节　化学反应的调控 1课时
章末复习 1课时
实验活动1　探究影响化学平衡移动的因素 1课时
第一节　化学反应速率
第1课时　化学反应速率
教学目标
1.了解化学反应速率的含义,理解化学反应速率的表达式及其简单计算,培养学生的计算能力。
2.通过有关化学反应速率的计算,掌握计算化学反应速率和比较化学反应快慢的方法。
3.通过学习过程、实例,使学生初步学会运用化学视角,去观察生活、生产和社会中有关化学反应速率的问题。
评价目标
1.通过利用反应速率的定义获取数据进行计算,诊断学生的定量计算水平。
2.通过计算反应中多个物质浓度变化表示的反应速率,并进行关联比较,诊断学生的数据概括水平。
3.通过设计实验比较和测定化学反应速率,诊断学生实验探究水平(定性水平、定量水平)。
重点难点
重点:化学反应速率的表示方法和计算方法。
难点:变量控制法测定化学反应速率。
教学方法
实验法、发现法、归纳总结法。
课时安排
建议1课时。
教学准备
多媒体课件、学案、学生分组需用到的实验用品。
引入新课
同学们,在我们的身边每天都进行着无数的化学变化,大家仔细观察会发现,不同的化学反应进行的快慢程度是不同的。物理上我们一般用什么来表示物体运动的快慢程度呢
【学生回答】速率(单位时间内物体运动的距离)。
【教师】那么在化学上,为了方便定量表示化学反应的快慢,我们是不是也可以引入速率这个概念呢 那么我们如何来表示一个化学反应的快慢呢 今天请大家和我一起走进“化学反应速率”,来认识一下如何定量的表示化学反应进行的快慢。
新课讲授
【投影】节日焰火、溶洞形成、钢铁生锈等不同化学反应。
【讲解】不同的化学反应,反应速率是不同的。为了衡量化学反应进行的快慢程度,我们引入了化学反应速率这个概念。那么,如何定量地表示一个反应的化学反应速率呢
【自学引导】请大家阅读课本P24内容,找出化学反应速率的表示方法、单位等信息并完成学案。
【师生配合】教师板书,学生通过自学完成学案内容。
一、化学反应速率
1.表示方法: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。
2.表达式:v=
3.单位:mol/(L·s)或mol/(L·min)或mol/(L·h)
【讲解】例如:在密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),反应开始时N2的浓度为0.8 mol·L-1,5 min 后N2的浓度变为0.7 mol·L-1。当Δt=5 min时,Δc(N2)=-0.1 mol·L-1。根据化学方程式中各物质化学计量数的关系,可得到Δc(H2)=-0.3 mol·L-1,Δc(NH3)=0.2 mol·L-1。用N2、H2、NH3的浓度变化表示的化学反应速率如下:
v(N2)=-=0.02 mol/(L·min)
v(H2)=-=0.06 mol/(L·min)
v(NH3)==0.04 mol/(L·min)
二、化学反应速率的计算方法
通过师生共同计算,引出计算化学反应速率最常用的方法步骤,即三段式法:
起始浓度c(始)
变化浓度Δc(变)
最终浓度c(末)
例如:反应　　　　mA　+　nBpC
c(始)/(mol·L-1)　　　a　 b　　 c
Δc(变)/(mol·L-1) 　-mx 　 -nx 　 px
c(末)/(mol·L-1) 　a-mx 　 b-nx　 c+px
【例1】在2 L的密闭容器中,加入1 mol N2和3 mol H2,发生反应:N2+3H22NH3,在2 s末时,测得容器中含有0.4 mol NH3,求该反应的化学反应速率。
【答案】
解:　　　　　　　N2　+　3H2　　2NH3
起始量/mol　　　　1　 　　3　　　　　0
2 s末量/mol 1-0.2 3-0.6 0.4
变化量/mol -0.2 -0.6 0.4
则v(N2)==0.05 mol/(L·s)
v(H2)==0.15 mol/(L·s)
v(NH3)==0.1 mol/(L·s)
【设问】1.v(N2)、v(H2)与v(NH3)的数值是否相同
2.是否都可以表示此反应的速率 数值上有何规律
3.由上述计算题的结果,你会得出什么结论
【学生回答】结论:对于在一个容器中的一般反应aA+bBcC+dD来说,
　　　　　v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)
　　　=|Δc(A)|∶|Δc(B)|∶Δc(C)∶Δc(D)
　　　=|Δn(A)|∶|Δn(B)|∶Δn(C)∶Δn(D)
　　　=a∶b∶c∶d
【教师讲解】理解化学反应速率的表示方法时应注意的几个问题:
1.上述化学反应速率是平均速率,而不是瞬时速率。
2.化学反应中,反应物浓度减少,Δc为负值,v=-;生成物浓度增加,Δc为正值,v=。所以化学反应速率一般为正值。
3.由于在反应中固体和纯液体的浓度是恒定不变的,因此对于有纯液体或固体参加的反应一般不用纯液体或固体来表示化学反应速率。
4.对于同一个反应来说,用不同的物质来表示该反应的速率时,其数值不同,但每种物质都可以用来表示该反应的快慢。因此,表示化学反应速率时,必须指明是用反应体系中的哪种物质做标准。
5.在同一个反应中,各物质的反应速率之比等于方程式中的化学计量数比。
6.在同一反应中,反应速率的大小比较,应化为同一种物质的反应速率再进行比较。
【例2】反应A+3B2C+2D在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)=0.15 mol·L-1·s-1;②v(B)=0.6 mol·L-1·s-1;③v(C)=0.4 mol·L-1·s-1;④v(D)=0.45 mol·L-1·s-1,则该反应在不同条件下速率大小顺序是　 。
【答案】④>②=③>①
三、化学反应速率的测定
【设问】化学反应速率是否可以通过实验进行测定呢 测定的时候一般的思路是怎么样的呢
下面,我们通过分组进行实验,来看一看如何测定并比较化学反应的速率。
【分组实验】根据课本P26“实验探究Ⅱ”将同学们分成两个大组,第一组同学用2 g锌粒与40 mL 1 mol·L-1 H2SO4溶液反应,记录收集10 mL H2所用时间,第二组同学用2 g锌粒与40 mL 4 mol·L-1 H2SO4溶液反应,记录收集10 mL H2所用时间。分别完成课本P26表格。
【思考问题】1.如何计算出硫酸反应的速率
2.此实验中应该注意哪些问题
3.除了用本实验的方法比较反应的快慢,你还有什么办法能比较出反应的快慢吗
【学生回答】1.通过氢气生成的量可以计算消耗硫酸的量,即Δc(H2SO4),进而可以算出v(H2SO4)。
2.实验中应该控制变量唯一:即锌粒要一样多、一样大,硫酸加入的量要一样多,针筒要规格相同,等等。还要注意读数时要考虑加入的硫酸所占的体积等。
3.还有比较相同时间内生成H2的量、比较H+浓度的变化、体系压强的变化等。
【总结提升】化学反应速率是可以通过实验测量的。可以用反应体系中任何一种物质(反应物或生成物)的浓度变化来表示,一般以最容易测定的物质表示。实际上任何一种与物质浓度有关的可观测量都可以加以利用。如气体的体积、体系的压强、颜色的深浅、光的吸收、导电能力等。
1.在密闭容器中A与B反应生成C,其反应速率分别用v(A)、v(B)、v(C)表示。已知v(A)、v(B)、v(C)之间有以下关系:2v(B)=3v(A),3v(C)=2v(B)。则此反应可表示为(　　)
A.2A+3B2C B.A+3B2C C.3A+B2C D.A+BC
答案 A
2.可逆反应A(g)+B(g)C(g)+D(g),在四种不同情况下的反应速率如下,其中反应进行得最快的是 (　　)
A.v(A)=0.15 mol/(L·min) B.v(B)=0.5 mol/(L·min)
C.v(C)=0.4 mol/(L·min) D.v(D)=0.01 mol/(L·s)
答案 D
3.在2 L的密闭容器中,发生下列反应:3A(g)+B(g)2C(g)+D(g)。若最初加入的A和B的物质的量都是4 mol,在前10 s A的平均反应速率为0.12 mol/(L·s),则10 s时,容器中B的物质的量为　　　　　。
答案 3.2 mol
通过本节课的学习,我们知道了化学反应是有快慢的,学会了定量表示化学反应快慢的方法——化学反应速率,并了解了它的计算方法和比较方法。通过本节课的实验探究,我们了解了化学反应速率是可以通过实验方法测量的。通过实验,我们还掌握了探究过程中运用的一些科学方法,比如对照实验法、变量控制法、科学归纳法、定性观察法,等等。
通过本节课的学习,希望同学们进一步了解化学反应的原理,并初步形成“变化观念与平衡思想”的化学核心素养。希望同学们继续努力学习,去探究化学世界里更多的奥秘。
完成课后相应习题。
本节课的内容主要是了解化学反应速率的概念及计算和比较方法。根据学生的知识水平与生活经验,结合教学内容的特点及地位、作用,本节教学内容分为两方面:一是知识内容,包括概念教学,了解计算方法等;二是学习方法,如对照实验,成果分享,感受研究化学问题的一般程序与方法等。以此为教学目标,本节课在教学设计方面会更具有目的性。
本节课是引导学生建立“变化观念与平衡思想”的化学核心素养的入门课,因此,多让学生思考,多让学生在学习中发现问题是重中之重。通过本节课,学生了解了化学反应速率是可以比较和计算的,教师实施引导,让学生产生“什么因素会影响化学反应速率”的疑问,对下一节课的教学会有很好的引入效果。
1.在2 L的恒容密闭容器中进行反应:A(g)+3B(g)2C(g),0~2 min内A的物质的量由2 mol减小到0.8 mol,则用B的浓度变化表示的该反应的反应速率为 (　　)
A.0.4 mol·L-1·min-1 B.0.9 mol·L-1·min-1 C.1.2 mol·L-1·min-1 D.1.6 mol·L-1·min-1
答案 B
解析 在2 L的密闭容器中进行反应A(g)+3B(g)2C(g),0~2 min内A的物质的量由2 mol减小到0.8 mol,则用A的浓度变化表示的反应速率v(A)=-=0.3 mol·L-1·min-1,v(A)∶v(B)=1∶3,所以v(B)=3×0.3 mol·L-1·min-1=0.9 mol·L-1·min-1。
2.对于反应A2+3B22AB3,以下表示的反应速率中,速率最小的是(　　)
A.v(A2)=0.4 mol·L-1·min-1 B.v(B2)=0.8 mol·L-1·min-1
C.v(AB3)=0.6 mol·L-1·min-1 D.v(A2)=0.01 mol·L-1·s-1
答案 B
解析 A项,v(A2)=0.4 mol·L-1·min-1;B项,v(B2)=0.8 mol·L-1·min-1,则v(A2)=v(B2)=×0.8 mol·L-1·min-1≈0.27 mol·L-1·min-1;C项,v(AB3)=0.6 mol·L-1·min-1,则v(A2)=v(AB3)=×0.6 mol·L-1·min-1=0.3 mol·L-1·min-1;D项,v(A2)=0.01 mol·L-1·s-1=0.6 mol·L-1·min-1。可见,用A2表示反应速率时,速率最小的是0.27 mol·L-1·min-1,故合理选项是B。
3.用甲、乙两装置测定锌与稀硫酸反应速率。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、乙装置是通过测单位时间锌的质量变化测定反应速率
答案 D
解析 甲、乙两装置需要测定单位时间内产生氢气的体积,需要用到秒表,故A正确;实验前将乙装置注射器活塞外拉,体系内压强减小,若气密性良好,在外界大气压作用下,活塞会回到原位,故B正确;甲装置中稀硫酸进入体系,占用一定体积,活塞右移,且随着稀硫酸不断加入,锥形瓶中反应生成的水越来越多,加入的稀硫酸被稀释,浓度不确定,会造成误差,用乙装置可以减小稀硫酸体积和浓度的变化造成的实验误差,故C正确;甲、乙装置是通过测定单位时间内产生氢气的体积测定反应速率,故D错误。
4.在一定条件,将A2和B2两种气体通入1 L密闭容器中,发生反应:xA2(g)+yB2(g)2C(g)。2s内的反应速率:v(A2)=0.5 mol·L-1·s-1,v(B2)=1.5 mol·L-1·s-1,v(C)=1 mol·L-1·s-1。则x和y的值分别为(　　)
A.2、3 B.3、2 C.3、1 D.1、3
答案 D
解析 同一反应中不同物质表示的反应速率之比等于其化学计量数之比,由于v(A2)∶v(B2)∶v(C)=1∶3∶2,因此x∶y∶2=1∶3∶2,则x=1,y=3。
5.某温度时,在2 L容器中,某一反应中A、B的物质的量随时间变化的曲线如下图所示,由图中数据分析得:
(1)在4 min末时,A、B的物质的量浓度c(A)　　　　　(填“>”“<”或“=”,下同)c(B);从0~4 min内A、B的物质的量浓度变化量Δc(A)　　　　　Δc(B)。
(2)从反应开始至4 min时,A的平均反应速率为　　　　　。
(3)该反应的化学方程式为　　　　　。
答案 (1)=　>　(2)0.05 mol·L-1·min-1 (3)2AB
第二章　化学反应速率与化学平衡
第一节　化学反应速率
第1课时　化学反应速率
一、化学反应速率
1.表示方法: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。
2.表达式:v=
3.单位:mol/(L·s)或mol/(L·min)或mol/(L·h)
二、化学反应速率的计算方法:三段式法
起始浓度c(始)
变化浓度Δc(变)
最终浓度c(末)
三、化学反应速率的测定
化学反应速率方程
化学反应速率方程是利用反应物浓度或分压计算化学反应的反应速率的方程。而化学反应速率通常指的是单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。根据时间的长短,单位时间可用s、min、h等不同单位表示,它由反应的快慢而定。化学反应速率方程直接计算得出的是特定浓度下的瞬时速率,由方程两边积分得出的才是平均速率。
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