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第一节　化学反应速率
第1课时　化学反应速率及影响因素
素养·目标定位
目 标 素 养
1.能说出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
4.能用简单碰撞理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响
5.能进行化学反应速率的简单计算
知 识 概 览
课前·基础认知
一、化学反应速率
1.化学反应速率的概念及其表示方法。
2.对于一个化学反应:mA+nB===pC+qD。
(1)用不同物质表示的反应速率分别为
(2)化学反应中各物质的化学反应速率之比等于化学计量数之比。即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q。
微解读(1)化学反应速率是某一时间段的平均速率而不是瞬时速率。
(2)不论是反应物还是生成物,其化学反应速率都取正值。
(3)固体或纯液体(不是溶液)的物质的量浓度可视为常数,因此,一般不用固体或纯液体表示化学反应速率。
3.测定。
(1)测定原理
利用化学反应中任何一种与物质 浓度 有关的可观测量进行测定。
(2)测定方法
①直接观察测定:如释放出气体的体积和体系的压强等。
②科学仪器测定:如反应体系颜色的变化。在溶液中,当反应物或生成物本身有较明显的颜色时,可利用 颜色变化 和
浓度变化 间的比例关系来跟踪反应的过程和测量反应速率。
微思考1测定锌与稀硫酸反应的化学反应速率可以采用哪些方法
提示:(1)可以通过测量收集一定体积H2所用时间的长短来测定化学反应的反应速率。(2)可以通过测量相同时间内收集H2的多少来测定化学反应的反应速率。(3)可以通过测量一段时间内溶液中c(H+)的变化来测定化学反应的反应速率。
微判断(1)化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减小或生成物浓度的增大。(　　)
(2)化学反应速率为0.8 mol·L-1·s-1是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L-1。(　　)
(3)根据化学反应速率的大小可以推知化学反应进行的快慢。
(　　)
(4)对于化学反应来说,反应速率越大,反应现象就越明显。
(　　)
×
×
√
×
二、影响化学反应速率的因素
1.决定因素。
反应物的组成、结构和性质等因素。
2.外界影响因素。
浓度、压强、温度及催化剂等因素对化学反应速率有影响。
3.定性研究影响化学反应速率的因素。
(1)实验原理。
Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O;
2H2O2 2H2O+O2↑。
(2)实验方案设计如表所示。
影响因素 实验步骤 实验现象 实验结论
浓度 均出现浑浊,但后者出现浑浊更快 增大反应物浓度,化学反应速率增大
影响因素 实验步骤 实验现象 实验结论
温度
3 min后分别混合并振荡 混合后均出现浑浊,但70 ℃热水一组首先出现浑浊 升高温度,化学反应速率增大
影响因素 实验步骤 实验现象 实验结论
催化
剂 前者无明显现象,后者出现大量气泡 催化剂能增大化学反应速率
(3)除上述因素外,改变化学反应速率的方法还有光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。只要向反应体系中输入能量,都有可能改变化学反应速率。
4.定量研究影响化学反应速率的因素。
(1)原理:Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。
(2)实验操作:按如图所示安装两套装置A、B,在锥形瓶内各盛大小相同的2 g锌粒,通过分液漏斗分别加入40 mL
1 mol·L-1和40 mL 4 mol·L-1的H2SO4溶液。
(3)实验记录及结论(记录收集10 mL H2所用的时间)。
加入试剂 反应时间(填“长”或“短”) 反应速率(填
“大”或“小”) 结论
1 mol·L-1
H2SO4溶液 长 小 增大反应物浓度,化学反应速率增大
4 mol·L-1
H2SO4溶液 短 大
微思考2在用上述实验测定锌与硫酸反应的速率时,
(1)为确保测定的准确性,应注意哪些事项
提示:①锌的颗粒(即表面积)大小基本相同;②40 mL的稀硫酸要迅速加入;③装置气密性良好,且计时要迅速准确。
(2)用上述装置测定化学反应速率时,操作、试剂无误,结果测定速率偏大,请从装置缺陷的角度分析可能的原因,并帮助设计改进措施。
提示:原因是忽视加入硫酸后排出气体的体积。
改进装置:
(3)除用注射器收集气体,你还可用哪些定量仪器测量收集氢气的体积
提示:气体收集可以用排水量气装置。
(4)除了测定氢气的体积外,你还能设计哪些方案测定锌与稀硫酸反应的速率
提示:①在恒容反应装置中,测定一段时间内压强的变化;②测定一段时间内H+的浓度变化;③测定一段时间内锌粒的质量变化。
课堂·重难突破
一、化学反应速率的计算
问题探究
不同的化学反应,有的快,有的慢,我们可以定性地描述反应的快慢,例如,火药爆炸可以瞬间完成,而室温下食物的腐败则要慢得多。我们还可以定量地表示化学反应速率。
1.定量表示化学反应速率需要哪些物理量 通常使用平均速率还是瞬时速率
提示:需要时间(时间单位要和速率大小相匹配)和能说明体系某种变化的可计量的性质——质量、体积、压强或物质的量等。使用平均速率更能准确表达化学反应的快慢。
2.在表示化学反应速率的方法中,浓度单位一般使用mol·L-1。如何选用时间单位更合理
提示:大多数常见的化学反应比较快,对反应很快的,常使用秒(s)作单位,较慢的反应可使用分(min)等,这样得到的化学反应速率的数值不会太大或太小。
3.同一化学反应中用不同物质表示的化学反应速率数值有可能不同,其意义是否相同
提示:在同一化学反应中,用不同物质表示的化学反应速率之比等于化学计量数之比,数值有可能不同但意义相同,都能描述化学反应的快慢。
典型例题
【例1】 一定条件下,向2 L密闭容器中加入2 mol N2和10 mol H2,发生反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),2 min时测得剩余N2 1 mol,下列化学反应速率不正确的是(　　)。
A.v(N2)=0.25 mol·L-1·min-1
B.v(H2)=0.75 mol·L-1·min-1
C.v(NH3)=1 mol·L-1·min-1
D.2v(H2)=3v(NH3)
C
【拓展延伸】 试计算2 min时H2的转化率。
答案:2 min时,转化的n(H2)=3 mol,α(H2)= ×100%=30%。
【例2】 在2 L恒容容器中发生反应: CO2(g)+2H2(g)═HCHO(g)+H2O(g),下列表示的反应速率最快的是(　　)。
A.400 ℃、200 kPa时,v(CO2)=0.25 mol·L-1·min-1
B.450 ℃、450 kPa时,v(CO2)=0.3 mol·min-1
C.300 ℃、300 kPa时,v(H2)=0.4 mol·L-1·min-1
D.350 ℃、400 kPa时,v(HCHO)=0.5 g·s-1
D
化学反应速率大小的比较方法 (1)归一法:以一种物质为标准,将用其他物质表示的反应速率转换成用该物质表示的反应速率,然后直接比较数值的大小,数值大者反应速率大。
二、影响化学反应速率的外界因素
问题探究
在一密闭容器中充入1 mol H2和1 mol I2,压强为p(Pa),并在一定温度下使其发生反应:H2(g)+I2(g) 2HI(g)。该密闭容器有一个可移动的活塞。
1.向下压缩活塞,使容器的压强增大,反应速率如何变化
提示:压缩容器容积,增大压强,反应物的浓度增大,反应速率增大。
2.保持容器的容积不变,向其中充入氦气(He),反应速率如何变化
提示:充入氦气,尽管容器内气体压强增大,但反应物的浓度不变,反应速率不变。
3.保持容器内气体压强不变,向其中充入氦气(He),反应速率如何变化
提示:充入氦气,气体压强不变,但容器的容积增大,反应物的浓度减小,反应速率减小。
归纳总结
1.固体或纯液体的浓度为常数, 一般情况下,增大反应物的量,反应速率不变,但改变固体物质的表面积会影响反应速率。
2.压强对化学反应速率的影响。
压强影响化学反应速率的根本原因是引起了浓度的改变。所以在讨论压强对反应速率的影响时,应区分引起压强改变的原因。压强对化学反应速率的影响有以下几种情况。
(1)对于没有气体参与的化学反应,由于改变压强后,反应物浓度变化很小,可忽略不计,因此一般认为对化学反应速率无影响。
(2)对于有气体参与的化学反应,有以下几种情况。
①恒温时,减小容积 压强增大 反应物浓度增大 反应速率增大。
②恒温时,对于恒容密闭容器:
典型例题
【例3】 反应C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)在一容积可变的密闭容器中进行,下列条件的改变对化学反应速率几乎无影响的是(　　)。
①增加C的量　②将容器的容积缩小一半　③保持容积不变,充入N2使体系压强增大　④保持压强不变,充入N2使容器容积变大
A.①④ B.②③
C.①③ D.②④
C
解析:本题考查的是压强对化学反应速率的影响。C为固体反应物,增加其用量,对化学反应速率几乎没有影响;容器容积缩小一半,相当于压强增大一倍,浓度增大,化学反应速率增大;容积不变,充入N2,体系总压强增大,但反应混合物的浓度并未改变,化学反应速率基本不变;压强不变,充入N2,使容器的容积增大,总压强不变,但反应混合物的浓度变小,化学反应速率减小。
【拓展延伸】 对于C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)反应,写出恒容条件下能增大该反应速率的两条可行性措施。
答案:①增大H2O(g)的浓度,②升高温度。
【例4】 某课外兴趣小组利用硫代硫酸钠(Na2S2O3)与稀硫酸反应,探究影响化学反应速率的因素(化学方程式为Na2S2O3+H2SO4═Na2SO4+S↓+SO2↑+H2O),设计了如下表系列实验。
实验
序号 Na2S2O3 稀硫酸 H2O
① 20 10.0 0.10 10.0 0.50 0
② 40 V1 0.10 V2 0.50 V3
③ 20 10.0 0.10 4.0 0.50 V4
下列说法错误的是(　　)。
A.该实验可通过测定SO2气体的体积随时间的变化准确定量测定反应速率
B.实验①和②探究温度对反应速率的影响,则需V1=V2=10.0
C.若用实验①和③探究稀硫酸浓度对反应速率的影响,则需V4=6.0
D.可通过溶液透光率(越浑浊透光率越小)随时间的变化探究影响化学反应速率的因素
A
解析:气体的体积受到温度的影响,故无法准确测定反应速率,A项错误。实验1、2温度不同,应为探究温度对反应速率的影响,浓度应该相同,故V1=V2=10.0,V3=0,B项正确。实验1、3的温度相同,应为探究浓度对反应速率的影响,若用实验1和3探究稀硫酸浓度对该反应速率的影响,则需V4=10.0+10.0-10.0-4.0=6.0,C项正确。溶液透光率(越浑浊透光率越小)的大小反映了硫变化的快慢,从而确定化学反应的快慢,故可以探究影响化学反应速率的因素,D项正确。
“控制变量”探究影响化学反应速率的因素
成果验收站　
1.下列对化学反应速率的理解正确的是(　　)。
A.化学反应速率表示的是化学反应进行的程度
B.化学反应速率可以用单位时间内反应物浓度的变化来表示
C.化学反应速率可以用任何一种反应物或生成物的浓度变化来表示
D.化学反应速率可以是正值,也可以是负值
B
解析:化学反应速率表示化学反应进行的快慢程度,不表示反应进行的程度,A项错误。化学反应速率可以用单位时间内反应物浓度的减小来表示,也可以用单位时间内生成物浓度的增大来表示,B项正确。化学反应速率不能用纯液体或纯固体来表示,C项错误。化学反应速率都是正值而无负值,D项错误。
2.下列方法不能实现对应化学反应速率测定的是(　　)。
选项 反应 方法
A Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 压力传感器测量反应前后体系压强变化
B Mg+2HCl===MgCl2+H2↑ 分析天平称量镁条变化前后的质量变化
C 2H2O2 2H2O+O2↑ 注射器收集反应后的气体体积
D Na2S2O3+H2SO4===Na2SO4+
S↓+SO2↑+H2O 浊度计测量反应前后浊度变化
A
解析:A项反应前后气体的化学计量数不变,反应前后压强不变,不能用体系压强变化实现对化学反应速率的测定,A项符合题意。B项反应会使镁条溶解而质量减小,可以根据镁条的质量变化测定反应速率,B项不符合题意。C项反应前无气体,反应后有气体生成,注射器收集反应后气体体积,可以测定反应速率,C项不符合题意。D项反应有淡黄色硫单质生成,可以用浊度计测量反应前后浊度变化来测定反应速率,D项不符合题意。
3.在一个密闭容器中盛有N2和H2,其起始浓度分别是1.8 mol·L-1和5.4 mol·L-1,在一定条件下发生反应生成NH3,10 min后测得N2的浓度是0.8 mol·L-1,则在这10 min内NH3的平均反应速率是(　　)。
A.0.16 mol·L-1·min-1 B.0.2 mol·L-1·min-1
C.0.1 mol·L-1·min-1 D.1.6 mol·L-1·min-1
解析:v(N2)=(1.8 mol·L-1-0.8 mol·L-1)÷10 min
=0.1 mol·L-1·min-1, v(NH3)=2v(N2)=0.2 mol·L-1·min-1。
B
4.扎染是中国传统的手工染色技术,染色的核心工艺流程如下。
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:催化剂可大幅度加快化学反应速率
C.退浆环节:加热煮沸可以提高淀粉酶的活性
D.染色环节:升高体系温度可加快化学反应速率
C
解析:制备环节中,传统工艺用H2还原靛蓝需7~15天,现代工艺用连二亚硫酸钠作还原剂仅需30 min,两者均在常温下,还原剂不同导致反应时间显著缩短,说明改变还原剂可调控化学反应速率,A项正确。退浆环节中,传统工艺常温浸泡需数天,现代工艺常温加入淀粉酶仅需几分钟,淀粉酶作为催化剂,大幅缩短了反应时间,说明催化剂能大幅度加快化学反应速率,B项正确。退浆环节使用的淀粉酶是生物催化剂,其活性受温度影响,存在最适温度,加热煮沸会使酶变性失活,无法提高活性,C项错误。染色环节中,常温浸泡需数小时且上色效果差,煮沸仅需几分钟且效果佳,说明升高温度加快了化学反应速率,D项正确。
5.下列措施对增大化学反应速率有明显效果的是(　　)。
A.Na与水反应时,增加水的用量
B.Na2SO4溶液与BaCl2溶液反应时,增大压强
C.Al与稀硫酸反应制取H2时,将稀硫酸改为浓硫酸
D.大理石与盐酸反应制取CO2时,将块状大理石改为粉末状大理石
D
解析:水为纯液体,增加水的用量,该反应速率不变,A项错误。反应没有气体参加,增大压强,反应速率不变,B项错误。Al与浓硫酸发生钝化,不生成氢气,反应速率减小,C项错误。块状大理石改为粉末状,增大了接触面积,反应速率加快,D项正确。
6.T ℃时,在0.5 L的密闭容器中,气体A与气体B反应生成气体C,反应过程中A、B、C的浓度变化如图所示。
则下列结论正确的是(　　)。
A.10 s时反应生成了0.4 mol C
B.该反应进行到10 s时,消耗了0.1 mol A
C.该反应的化学方程式为3A+B===2C
D.10 s内用B表示的反应速率为0.01 mol·L-1·s-1
B
解析:根据图示可知在10 s时C的浓度改变了0.4 mol·L-1,由于容器的容积是0.5 L,则10 s时反应生成C的物质的量n(C)=0.4 mol·L-1×0.5 L=0.2 mol,A项错误。该反应进行到10 s时,A的浓度减少0.2 mol·L-1,由于容器的容积是0.5 L,则消耗A的物质
7.在某化学反应中,反应混合物A、B、C的物质的量浓度(mol·L-1)与时间t(s)的关系如表所示。
t/s 200 400 800
c(A)/(mol·L-1) 1.45 1.28 1.00
c(B)/(mol·L-1) 0.38 0.72 1.28
c(C)/(mol·L-1) 0.095 0.18 0.32
(1)该反应的化学方程式为　 。
(2)用A的浓度变化表示200~800 s内反应的平均反应速率为
　　　　　　　　 mol·L-1·min-1。
2A═4B+C
0.045
(3)用C的浓度变化表示400~800 s内反应的平均反应速率为
　　　　　　　　 mol·L-1·s-1。
3.5×10-4
解析:(1)反应中A的浓度减少,B、C浓度增大,所以A为反应物,B、C为生成物。在200~800 s,Δc(A)∶Δc(B)∶Δc(C)=0.45 mol·L-1∶0.9 mol·L-1∶0.225 mol·L-1=2∶4∶1,因此反应为2A═4B+C。
(2)200~800 s内,Δc(A)=1.00 mol·L-1-1.45 mol·L-1=
-0.45 mol·L-1,Δt=600 s=10 min,v(A)= =0.45 mol·L-1÷10 min=0.045 mol·L-1·min-1。
(3)400~800 s内,Δc(C)=0.32 mol·L-1-0.18 mol·L-1=
0.14 mol·L-1,Δt=400 s,v(C)= =0.14 mol·L-1÷400 s=3.5×10-4 mol·L-1·s-1。

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