2021届一轮复习（人教版）控制变量探究影响化学反应速率的因素学案

2021届一轮复习（人教版）控制变量探究影响化学反应速率的因素学案

控制变量探究影响化学反应速率的因素 在研究影响化学反应速率的因素时,由于外界影响因素较多,故为搞清某个因素的影响均需控制其他因素相同或不变,再进行实验。因此,常用控制变量思想解决该类问题。‎ ‎1.常见考查形式 ‎(1)以表格的形式给出多组实验数据,让学生找出每组数据的变化对化学反应速率的影响。‎ ‎(2)给出影响化学反应速率的几种因素,让学生设计实验分析各因素对化学反应速率的影响。‎ ‎2.探究策略 ‎3.探究思路 ‎【典例】(2018·北京高考节选)‎ ‎(1)I-可以作为水溶液中SO2歧化反应[3SO2(g)+2H2O(g)2H2SO4(l)+S(s)　ΔH=‎ ‎-254 kJ·mol-1]的催化剂,可能的催化过程如下。将ii补充完整。‎ i.SO2+4I-+4H+S↓+2I2+2H2O ii.I2+2H2O+　　　 　　　　+　　　　+2I- ‎ ‎(2)探究i、ii反应速率与SO2歧化反应速率的关系,实验如下:分别将18 mL SO2饱和溶液加入2 mL下列试剂中,密闭放置观察现象。(已知:I2易溶解在KI溶液中)‎ 序号 A B C D 试剂 组成 ‎0.4 mol·L-1‎ KI a mol·L-1‎ ‎ KI ‎0.2 mol·L-1‎ H2SO4‎ ‎0.2 mol·L-1‎ H2SO4‎ ‎0.2 mol·L-1‎ KI ‎0.000 2 mol ‎ I2‎ 实验 现象 溶液变黄,一段时间后出现浑浊 溶液变黄,出现浑浊较A快 无明显现象 溶液由棕褐色很快褪色,变成黄色,出现浑浊较A快 ‎①B是A的对比实验,则a=　　　　。 ‎ ‎②比较A、B、C,可得出的结论是　　　　。 ‎ ‎③实验表明,SO2的歧化反应速率D>A。结合i、ii反应速率解释原因: 　 　。 ‎ ‎【思维建模】探究外界条件对反应速率的影响实验的一般解题思路为 ‎【解析】(1)反应ii中I2化合价降低,所以另一种反应物应为还原剂SO2,其化合价升高,生成物是S,根据电荷守恒原则,在酸性条件下用H+调整电荷守恒,故有I2+2H2O+SO2S+4H++2I-。(2)①B是A的对比实验,c(I-)应相同,故a=0.4。②A、B、C三组实验中,C为对照实验,证明在无I-存在时,H2SO4对SO2的歧化反应无影响;A、B对比证明c(I-)相同时,c(H+)越大,反应i速率越快。③I2易溶解在KI溶液中,将反应ii乘以2与反应i相加,得反应式3SO2+2H2OS↓+2S+4H+,可知随着反应的进行c(H+)增大,根据②的结论,SO2的歧化反应速率D>A。‎ 答案:(1)SO2　S　4H+‎ ‎(2)①0.4‎ ‎②I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率 ‎③反应ii比i快;D中由反应ii产生的H+使反应i加快 ‎【延伸探究】(1)若此实验探究过程中的反应均在锥形瓶中进行,应该怎样比较溶液中出现浑浊的快慢?‎ 提示:可用黑色记号笔在一张白纸的适当位置画一粗细深浅一致的“+”字,然后贴在锥形瓶的底部。实验过程中通过观察锥形瓶底部“+”遮挡的程度,记录反应的时间。‎ ‎(2)在本实验的探究过程中是否需要控制温度?‎ 提示:需要,四组实验必须在温度相同的条件下进行。‎ ‎(3)本实验为什么必须在密闭容器中进行?‎ 提示:因为实验中的SO2和I-均具有还原性,在敞口容器中进行容易被空气中的氧气氧化而导致实验误差,因此必须在密闭容器中进行。‎ ‎1.硝基苯甲酸乙酯在OH-存在下发生水解反应:‎ O2NC6H4COOC2H5(aq)+OH-(aq)O2NC6H4COO-(aq)+C2H5OH(aq),两种反应物的初始浓度均为0.500 mol·L-1,不同温度下测得 O2NC6H4COOC2H5的浓度(mol·L-1)随时间变化的数据如下表所示。‎ t/s ‎0‎ ‎120‎ ‎180‎ ‎240‎ ‎330‎ ‎530‎ ‎600‎ ‎700‎ ‎800‎ ‎15 ℃‎ ‎0.500‎ ‎0.335‎ ‎0.291‎ ‎0.256‎ ‎0.210‎ ‎0.155‎ ‎0.148‎ ‎0.145‎ ‎0.145‎ ‎35 ℃‎ ‎0.500‎ ‎0.325‎ ‎0.275‎ ‎0.238‎ ‎0.190‎ ‎……‎ ‎0.135‎ ‎0.135‎ ‎0.135‎ 下列有关说法不正确的是 (　　)‎ A.由数据可知,温度升高,反应速率加快 B.由数据可知,随着反应的进行,反应物的浓度降低,反应速率减慢 C.530 s时,表格中35 ℃对应的数据一定是0.135‎ D.该反应在15 ℃时,120～ 180 s区间O2NC6H4COOC2H5的平均反应速率为7.33×‎ ‎10-4 mol·L-1·s-1‎ ‎【解析】选C。由数据可知,随着温度升高,相同时间段内O2NC6H4COOC2H5的浓度降低的速率快,表示温度升高,反应速率加快,故A项正确;由数据可知,其他条件不变时,随着反应的进行,相同时间段内O2NC6H4COOC2H5‎ 的浓度降低的幅度减小,说明反应物的浓度降低,反应速率减慢,故B项正确;根据表格数据,600 s时是平衡状态,则530 s时可能是平衡状态,也可能不是,故C项错误;该反应在15 ℃时,120～ 180 s区间O2NC6H4COOC2H5的平均反应速率为≈7.33×10-4mol·L-1·s-1,故D项正确。‎ ‎2.为了探究温度、硫酸铜对锌与稀硫酸反应生成氢气速率的影响,某同学设计了如下方案:‎ 编号 纯锌粉 质量 ‎0.2 mol·L-1‎ 稀硫酸体积 温度 硫酸铜固 体质量 Ⅰ ‎2.0 g ‎10.0 mL ‎25 ℃‎ ‎0‎ Ⅱ ‎2.0 g ‎10.0 mL t ℃‎ ‎0‎ Ⅲ ‎2.0 g ‎10.0 mL ‎35 ℃‎ ‎0.2 g Ⅳ ‎2.0 g ‎10.0 mL ‎35 ℃‎ ‎4.0 g 下列推断合理的是 (　　)‎ A.选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响,必须控制t=25‎ B.待测物理量是收集等体积(相同条件)的气体所需要的时间,时间越长,反应越快 C.根据该方案,还可以探究稀硫酸浓度对反应速率的影响 D.根据该实验方案得出反应速率的大小可能是Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ ‎【解析】选D。A项,根据控制变量法,若选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响,Ⅱ的温度必须控制在35℃,错误;B项,收集相同条件下等体积的气体所需的时间越长,则反应速率越慢,错误;C项,题中各组实验中稀硫酸的浓度均相同,故无法探究稀硫酸浓度对反应速率的影响,错误;D项,‎ 本题影响反应速率大小的主要因素是温度和硫酸铜固体的质量,由A项分析可知实验Ⅱ的温度应为35℃,则反应速率Ⅱ>Ⅰ,实验Ⅲ中锌与置换出的铜及稀硫酸构成原电池,使Ⅲ的反应速率比Ⅱ的快,实验Ⅳ中CuSO4用量过多,置换出的铜可能覆盖在锌表面而阻止反应的进行,从而使Zn与H2SO4反应速率大大减小,故四个反应的反应速率的大小关系可能为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ,正确。‎ ‎3.某兴趣小组研究含一定浓度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,判断下列说法正确的是 (　　)‎ 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 ‎【解析】选D。由②③可知,温度相同时pH越小,氧化率越大,由①②可知,pH相同时,温度越高,氧化率越大;Fe2+的氧化率除受pH、温度影响外,还受其他因素影响,如氧气的浓度等。‎ ‎【加固训练】‎ ‎　　1.(2020·宜春模拟)W溶液受热会发生分解反应。体积均为2 L的4组溶液(忽略反应前后体积的变化),W的物质的量随时间的变化如表,则下列说法不正确的是 (　　)‎ ‎0 min ‎10 min ‎20 min ‎30 min ‎40 min ‎50 min ‎60 min ‎①‎ ‎10 ℃‎ ‎1.1‎ ‎0.90‎ ‎0.80‎ ‎0.73‎ ‎0.68‎ ‎0.65‎ ‎0.65‎ ‎②‎ ‎10 ℃‎ a ‎0.70‎ ‎0.65‎ ‎0.65‎ ‎0.65‎ ‎0.65‎ ‎0.65‎ ‎③‎ ‎25 ℃‎ ‎1.0‎ ‎0.70‎ ‎0.50‎ ‎0.35‎ ‎0.25‎ ‎0.20‎ ‎0.20‎ ‎④‎ ‎30 ℃‎ ‎2.0‎ ‎1.4‎ ‎0.90‎ ‎0.50‎ ‎0.20‎ ‎0.13‎ ‎0.13‎ A.在10～ 20 min内,实验①中W的平均分解速率为0.005 mol·L-1·min-1‎ B.a>1.1,且说明浓度越大,反应速率越快 C.对比①和③,说明温度越高,反应速率越快 D.对比①和④,不能说明同一时刻W的平均反应速率随温度升高而增大 ‎【解析】选C。在10～ 20 min内,实验①中W的物质的量的变化量为0.1 mol,所以在10～ 20 min内,实验①中W的平均分解速率为 mol·L-1·min-1=‎ ‎0.005 mol·L-1·min-1,故A正确;若a>1.1,由实验①、②可知,温度相同的条件下,浓度大先达平衡,所以a>1.1,且说明浓度越大反应速率越快,故B正确;对比实验①和③,温度不同,起始的浓度也不同,所以对比实验①和③,不能说明W的平均反应速率随温度升高而增大,故C错误;对比实验①和④,温度不同,起始的浓度也不同,所以对比实验①和④,不能说明同一时刻W的平均反应速率随温度升高而增大,故D正确。‎ ‎2.(2020·泰州模拟)用酸性KMnO4溶液与H2C2O4溶液反应来探究影响化学反应速率的因素:‎ Ⅰ.实验前先用酸性KMnO4标准溶液滴定未知浓度的草酸 反应原理:　Mn+　H2C2O4+　　　Mn2++　CO2↑+　H2O ‎(1)配平上述离子方程式。‎ ‎(2)滴定时KMnO4溶液应盛装于　　　　(填“酸式”或“碱式”)滴定管中。 ‎ Ⅱ.探究影响化学反应速率的因素 编号 H2C2O4溶液 酸性KMnO4‎ 溶液 温度/℃‎ 浓度/‎ mol·L-1‎ 体积/‎ mL 浓度/‎ mol·L-1‎ 体积/‎ mL ‎①‎ ‎0.10‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎25‎ ‎②‎ ‎0.20‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎25‎ ‎③‎ ‎0.20‎ ‎2.0‎ ‎0.010‎ ‎4.0‎ ‎50‎ ‎(1)探究温度对化学反应速率影响的实验编号是　　　　　(填编号,下同)。 ‎ ‎(2)探究反应物浓度对化学反应速率影响的实验编号是　　　　。 ‎ Ⅲ.测得某次实验(恒温)时溶液中Mn2+物质的量与时间关系如图所示,请解释“n(Mn2+)在反应起始时变化不大,一段时间后快速增大”的原因:‎ ‎　　　　　　。 ‎ ‎【解析】Ⅰ.(1)实验前先用酸性KMnO4标准溶液滴定未知浓度的草酸,锰元素从+7价降低到+2价,得到5个电子,草酸中碳元素从+3价升高到+4价,共失去2个电子,则高锰酸根离子的化学计量数是2,草酸的化学计量数是5,再由元素守恒配平Mn2+、CO2的化学计量数,最后由电荷守恒配平氢离子、水的化学计量数,配平好的方程式为2Mn+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O;(2)滴定时KMnO4‎ 溶液氧化性强,易腐蚀碱式滴定管的乳胶管,不能用碱式滴定管,要用酸式滴定管盛放高锰酸钾。‎ Ⅱ.(1)探究温度对反应速率的影响时,除了温度不同以外,控制其他条件完全相同,故选②和③。‎ ‎(2)探究反应物浓度对化学反应速率影响时,反应温度、溶液体积必须相同,故选①和②。‎ Ⅲ.测得某次实验(恒温)时溶液中Mn2+物质的量与时间关系如图所示,根据2Mn+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O可知,开始时锰离子浓度增大速率慢,后来大幅度增大,锰离子对该反应起到了催化作用,加快了反应速率,故“n(Mn2+)在反应起始时变化不大、一段时间后快速增大”,即:Mn2+对该反应有催化作用。‎ 答案:Ⅰ.(1)2　5　6H+　2　10　8　(2)酸式　‎ Ⅱ.(1)②和③　(2)①和②　　Ⅲ.Mn2+对该反应有催化作用 ‎3.(2020·信阳模拟)某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中,发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题:‎ ‎(1)上述实验中发生反应的化学方程式有　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(2)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(3)实验室中现有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO44种溶液,可与上述实验中CuSO4溶液起相似作用的是　　　　　　　　　　　　。 ‎ ‎(4)要加快上述实验中气体产生的速率,还可采取的措施有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(答两种)。 ‎ ‎(5)为了进一步探究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响,该同学设计了如下一系列实验。将表中所给的混合溶液分别加入6个盛有过量Zn粒的反应瓶中,收集产生的气体,记录获得相同体积气体所需的时间。‎ 实验 混合溶液　　　 ‎ A B C D E F ‎4 mol·L-1 ‎ H2SO4/mL ‎30‎ V1‎ V2‎ V3‎ V4‎ V5‎ 饱和CuSO4‎ 溶液/mL ‎0‎ ‎0.5‎ ‎2.5‎ ‎5‎ V6‎ ‎20‎ H2O/mL V7‎ V8‎ V9‎ V10‎ ‎10‎ ‎0‎ ‎①请完成此实验设计,其中:V1=　　　,V6=　　　,V9=　　　　。 ‎ ‎②该同学最后得出的结论为当加入少量CuSO4溶液,生成氢气的速率会大大提高。但当加入的CuSO4溶液超过一定量时,生成氢气的速率反而会下降。请分析氢气生成速率下降的主要原因:   　   　   　。 ‎ ‎【解析】(1)分析实验中涉及的物质:Zn、CuSO4、H2SO4,其中能发生的化学反应有2个:Zn+CuSO4ZnSO4+Cu,Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑。‎ ‎(2)由于Zn与CuSO4反应生成的Cu附着在Zn表面,构成铜锌原电池,从而加快了H2产生的速率。‎ ‎(3)4种溶液中能与Zn发生置换反应的只有Ag2SO4,Zn+Ag2SO4ZnSO4+2Ag。‎ ‎(4)根据影响化学反应速率的外界因素,则加快反应速率的方法还有:增大反应物浓度、升高温度、使用催化剂、增大锌粒的表面积等。注意:H2SO4浓度不能过大,浓硫酸与Zn反应不生成H2。‎ ‎(5)若研究CuSO4的量对H2生成速率的影响,则实验中除CuSO4的量不同之外,其他物质的量均相同,则V1=V2=V3=V4=V5=30,最终溶液总体积相同。‎ 由实验F可知,溶液的总体积均为50 mL,则V6=10,V9=17.5。随着CuSO4的量增大,附着在Zn粒表面的Cu会越来越多,被覆盖的Zn不能与H2SO4接触,则H2的生成速率会减慢。‎ 答案:(1)Zn+CuSO4ZnSO4+Cu,Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑‎ ‎(2)CuSO4与Zn反应产生的Cu与Zn形成铜锌原电池,加快了H2产生的速率 ‎(3)Ag2SO4‎ ‎(4)升高反应温度,适当增加硫酸的浓度,增大锌粒的表面积等(答两种即可)‎ ‎(5)①30　10　17.5　②当加入一定量的CuSO4溶液后,生成的单质Cu会沉积在Zn的表面,减少了Zn与溶液的接触面积