2020版高考一轮复习化学通用版学案：第七章第2课时　明确2大考查角度——变量控制与速率常数

2020版高考一轮复习化学通用版学案：第七章第2课时　明确2大考查角度——变量控制与速率常数

第2课时　明确2大考查角度——变量控制与速率常数 ‎ 题型一　“变量控制”实验探究题 该类题目主要探究影响化学反应速率的外界因素，由于外界影响因素较多，若搞清某个因素的影响，均需控制其他因素相同或不变，才能进行实验。因此，控制变量思想在这部分体现较为充分，在近几年高考题中也多有考查，且大多以探究型实验题的形式出现。这类题目以实验为研究手段，尽管涉及因素较多，有其复杂性，但仍然重在考查考生的基础知识、基本技能、分析能力和实验能力。‎ ‎[重难点拨] ‎ ‎1．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反应的影响。‎ ‎(2)给出影响化学反应的几种因素，设计实验分析各因素对反应的影响。‎ ‎2．解题策略 ‎3．注意事项 ‎(1)要选择合适的化学反应，所选择的反应不能太灵敏，也不能太迟钝。‎ ‎(2)反应物的浓度要适当，不能太大，而探索浓度变量时，浓度间的差别也不能太大。‎ ‎(3)要有规律地设计不同的反应体系的温度，也要注意物质的相应性质 ，不能选择会引起反应发生变化的体系温度。‎ ‎(4)对变量要进行适当的组合，组合的一般原则是“变一定多”，即保持其他变量不变，改变其中一个变量的值进行实验，测定数据，通过系列实验，找出变量对反应的影响。‎ ‎[考法精析]‎ 考法一　实验方案的评价 ‎[典例1]　(2018·北京高考)(1)I－可以作为水溶液中SO2歧化反应的催化剂，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 试剂组成 实验现象 A ‎0.4 mol·L－1 KI 溶液变黄，一段时间后出现浑浊 B a mol·L－1 KI ‎0.2 mol·L－1 H2SO4‎ 溶液变黄，出现浑浊较A快 C ‎0.2 mol·L－1 H2SO4‎ 无明显现象 D ‎0.2 mol·L－1 KI ‎0.000 2 mol I2‎ 溶液由棕褐色很快褪色，变为黄色，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：________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎[解析]　(1)根据歧化反应的特点，反应ⅰ生成S，则反应ⅱ需生成H2SO4，即I2将SO2氧化为H2SO4，反应的离子方程式为I2＋2H2O＋SO2===SO＋4H＋＋2I－。(2)①对比实验只能存在一个变量，因实验B比实验A多了H2SO4，则B中KI溶液的浓度应不变，故a＝0.4。②由表中实验现象可知，I－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加入少量I2时，反应明显加快，说明反应ⅱ比反应ⅰ快；D中由反应ⅱ产生的H＋使反应ⅰ加快。‎ ‎[答案]　(1)SO2　SO　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 考法二　实验方案的设计 ‎[典例2]　H2O2是一种绿色氧化还原试剂，在化学研究中应用广泛。‎ 某小组拟在同浓度Fe3＋的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器：30% H2O2溶液、0.1 mol·L－1Fe2(SO4)3溶液、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器。‎ ‎(1)写出本实验H2O2分解反应方程式并标明电子转移的方向和数目：________________________________________________________________________。‎ ‎(2)设计实验方案：在不同H2O2浓度下，测定_____________________(要求所测得的数据能直接体现反应速率大小)。‎ ‎(3)设计实验装置，完成如图所示的装置示意图。‎ ‎(4)参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案(列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据；数据用字母表示)。‎ 物理量 实验序号 V[0.1 mol·L－1 ‎ Fe2(SO4)3]/mL ‎……‎ ‎1‎ a ‎……‎ ‎2‎ a ‎……‎ ‎[解析]　(1)双氧水中氧元素的化合价为－1，发生分解反应生成氧气，O2中氧元素的化合价为0，水中氧元素的化合价为－2，所以是自身的氧化还原反应，用单线桥法表示其电子转移的方向和数目：===2H2O＋O2↑。(2)该实验是探究双氧水的分解速率，所以应测定不同浓度双氧水分解时产生氧气的速率，即可以测定相同时间内生成氧气的体积。(3)根据题目给出的限选仪器可以选用导管、水槽、量筒组成气体收集装置。(4)探究时一定要注意变量的控制，即只改变一个变量，才能说明该变量对反应的影响。表格中给出了硫酸铁的量，且体积均相等。而探究的是不同浓度的双氧水分解的速率，所以必须要有不同浓度的双氧水，但题给试剂中只有30%的双氧水，因此还需要蒸馏水，要保证硫酸铁的浓度相同，必须保证两组实验中双氧水和蒸馏水的总体积相同，且两组实验中双氧水和蒸馏水的体积不同两个条件。同时还要记录两组实验中收集相同体积氧气所需时间或相同时间内收集氧气的体积大小。‎ ‎[答案]　(1)===2H2O＋O2↑‎ ‎(2)生成相同体积的氧气所需要的时间(或相同时间内，生成氧气的体积)‎ ‎(3)‎ ‎　　‎ ‎(4)‎ V(H2O2)/mL V(H2O)/mL V(O2)/mL t/s ‎1‎ b c e d ‎2‎ c b e f 或 V(H2O2)/mL V(H2O)/mL t/s V(O2)/mL ‎1‎ b c e d ‎2‎ c b e f ‎[综合训练]‎ ‎1．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越小氧化率越大 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。‎ ‎2．某酸性工业废水中含有K2Cr2O7。光照下，草酸(H2C2O4)能将其中的Cr2O转化为Cr3＋。某课题组研究发现，少量铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]即可对该反应起催化作用。为进一步研究有关因素对该反应速率的影响，探究如下：‎ ‎(1)在25 ℃下，控制光照强度、废水样品初始浓度和催化剂用量相同，调节不同的初始pH和一定浓度草酸溶液用量，作对比实验，完成以下实验设计表(表中不要留空格)。‎ 实验编号 初始pH 废水样品体积/mL 草酸溶液体积/mL 蒸馏水体积/mL ‎①‎ ‎4‎ ‎60‎ ‎10‎ ‎30‎ ‎②‎ ‎5‎ ‎60‎ ‎10‎ ‎30‎ ‎③‎ ‎5‎ ‎60‎ 测得实验①和②溶液中的Cr2O浓度随时间变化关系如图所示。‎ ‎(2)上述反应后草酸被氧化为______________(填化学式)。‎ ‎(3)实验①和②的结果表明_________________________________________________；‎ 实验①中O～t1时间段反应速率v(Cr3＋)＝____________ mol·L－1·min－1(用代数式表示)。‎ ‎(4)该课题组对铁明矾[Al2Fe(SO4)4·24H2O]中起催化作用的成分提出如下假设，请你完成假设二和假设三：‎ 假设一：Fe2＋起催化作用；‎ 假设二：________________；‎ 假设三：________________；‎ ‎………‎ ‎(5)请你设计实验验证上述假设一，完成下表中内容。‎ ‎[除了上述实验提供的试剂外，可供选择的试剂有K2SO4、FeSO4、K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O、Al2(SO4)3等。溶液中Cr2O的浓度可用仪器测定]‎ 实验方案(不要求写具体操作过程)‎ 预期实验结果和结论 解析：(1)实验①、②中初始pH不同，为探究pH对反应速率的影响，则实验②、③为探究一定浓度草酸溶液用量对反应速率的影响，则实验②、③中试剂总用量应相同。(2)草酸中C为＋3价，则其被氧化为CO2。(3)实验①和②表明pH越小，则Cr2O转化为Cr3＋的反应速率越快；v(Cr3＋)＝2v(Cr2O)＝ mol·L－1·min－1。(4)根据铁明矾的组成可知，起催化作用的还可能为Al3＋、SO。(5)进行对比实验，加入等物质的量的K2SO4·Al2(SO4)3·‎ ‎24H2O代替①中的铁明矾，验证起催化作用的是否为Fe2＋。‎ 答案：(1)20　20　(2)CO2　(3)溶液的pH对该反应的速率有影响　　(4)Al3＋起催化作用　SO起催化作用 ‎(5)‎ 实验方案(不要求写具体操作过程)‎ 预期实验结果和结论 用等物质的量的K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O代替实验①‎ 反应进行相同时间后，若溶液中c(Cr2O)大于实验①中的c(Cr2O)‎ 中的铁明矾，控制其他反应条件与实验①相同，进行对比实验 ‎，则假设一成立；若两溶液中的c(Cr2O)相同，则假设一不成立 题型二　速率常数及其应用 运用题给新信息为载体进行解题是近几年高考的一大热点，主要考查考生的迁移运用能力，但得分率极低；今以“速率常数”这一新信息为例，结合活化能和化学平衡常数相关计算进行讲解拓展，旨在让考生学会灵活变通，做到举一反三，稳取高分。‎ ‎ [重难点拨]‎ ‎1．速率常数含义 速率常数(k)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1 mol·L－1时的反应速率。在相同的浓度条件下，可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。‎ 化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比，而速率常数是其比例常数，在恒温条件下，速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此，可以应用速率方程求出该温度下任意浓度时的反应速率。‎ ‎2．速率方程 一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比。‎ 对于反应：aA＋bB===gG＋hH 则v＝kca(A)·cb(B)(其中k为速率常数)。‎ 如：①SO2Cl2SO2＋Cl2　　 v＝k1c(SO2Cl2)‎ ‎②2NO22NO＋O2 v＝k2c2(NO2)‎ ‎③2H2＋2NON2＋2H2O v＝k3c2(H2)·c2(NO)‎ ‎3．速率常数的影响因素 温度对化学反应速率的影响是显著的，速率常数是温度的函数，同一反应，温度不同，速率常数将有不同的值，但浓度不影响速率常数。‎ ‎[典例]　(2016·海南高考)顺1,2二甲基环丙烷和反1，2二甲基环丙烷可发生如下转化： ‎ 该反应的速率方程可表示为：v(正)＝k(正)c(顺)和v(逆)＝k(逆)c(反)，k(正)和k(逆)在一定温度时为常数，分别称作正、逆反应速率常数。回答下列问题：‎ ‎(1)已知：t1温度下，k(正)＝0.006 s－1，k(逆)＝0.002 s－1，该温度下反应的平衡常数值K1＝________；该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆)，则ΔH________0(填“小于”“等于”或“大于”)。‎ ‎(2)t2温度下，图中能表示顺式异构体的质量分数随时间变化的曲线是________(填曲线编号)，平衡常数值K2＝__________；温度 t2________t1(填“小于”“等于”或“大于”)，判断理由是_______________________________________________________。‎ ‎[解析]　(1)根据v(正)＝k(正)c(顺)、k(正)＝0.006 s－1，则v(正)＝0.006c(顺)，k(逆)＝‎ ‎0.002 s－1，v(逆)＝k(逆)c(反)＝0.002c(反)，化学平衡状态时正逆反应速率相等，则0.006c(顺)＝0.002c(反)，K1＝c(反)/c(顺)＝0.006÷0.002＝3；该反应的活化能Ea(正)小于Ea(逆)，说明断键吸收的能量小于成键释放的能量，即该反应为放热反应，则ΔH小于零。‎ ‎(2)反应开始时，c(顺)的浓度大，单位时间的浓度变化大，w(顺)的变化也大，故B曲线符合题意，设顺式异构体的起始浓度为x，该可逆反应左右物质系数相等，均为1，则平衡时，顺式异构体为0.3x，反式异构体为0.7x，所以平衡常数值K2＝0.7x÷0.3x＝，因为K1＞K2，放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动，所以温度t2大于t1。‎ ‎[答案]　(1)3　小于 ‎(2)B　　大于　放热反应升高温度时平衡向逆反应方向移动 ‎[综合训练]‎ ‎1．研究氮氧化物的反应机理，对于消除环境污染有重要意义。升高温度绝大多数的化学反应速率增大，但是2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的速率却随温度的升高而减小。某化学小组为研究特殊现象的实质原因，查阅资料知：‎ ‎2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步：‎ ‎①2NO(g)N2O2(g)(快)‎ ‎　v1正＝k1正c2(NO)　v1逆＝k1逆c(N2O2)　ΔH1＜0‎ ‎②N2O2(g)＋O2(g)2NO2(g)(慢)‎ v2正＝k2正c(N2O2)c(O2)　v2逆＝k2逆c2(NO2)　ΔH2＜0‎ 请回答下列问题：‎ ‎(1)一定温度下，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)达到平衡状态，请写出用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示的平衡常数表达式K＝________，根据速率方程分析，升高温度该反应速率减小的原因是________(填字母)。‎ a．k2正增大，c(N2O2)增大 b．k2正减小，c(N2O2)减小 c．k2正增大，c(N2O2)减小 d．k2正减小，c(N2O2)增大 ‎(2)由实验数据得到v2正～c(O2)的关系可用如图表示。当x点升高到某一温度时，反应重新达到平衡，则变为相应的点为______(填字母)。‎ 解析：(1)由反应达到平衡状态可知，v1正＝v1逆、v2正＝v2逆，所以v1正×v2正＝v1逆×v2‎ 逆，即k1正c2(NO)×k2正c(N2O2)c(O2)＝k1逆c(N2O2)×k2逆c2(NO2)，则K＝＝。‎ ‎(2)因为决定2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)速率的是反应②，升高温度，v2正减小，平衡向逆反应方向移动，c(O2)增大，因此当x点升高到某一温度时，c(O2)增大，v2正减小，符合条件的点为a。‎ 答案：(1)　c　(2)a ‎2．(2018·全国卷Ⅲ)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。反应2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)　ΔH＝＋48 kJ·mol－1，采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂，在323 K和343 K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。‎ ‎(1)343 K时反应的平衡转化率α＝________%。平衡常数K343 K＝________(保留2位小数)。‎ ‎(2)比较a、b处反应速率大小：va______vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率 k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数，x为物质的量分数，计算a处的＝________(保留1位小数)。‎ 解析：(1)温度越高，反应速率越快，达到平衡的时间越短，曲线a达到平衡的时间短，则曲线a代表343 K时SiHCl3的转化率变化，曲线b代表323 K时SiHCl3的转化率变化。‎ 由题图可知，343 K时反应的平衡转化率α＝22%。设起始时SiHCl3(g)的浓度为1 mol·L－1，则有 ‎2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)‎ 起始/(mol·L－1) 　1　　　　　　 0　　　　 　0‎ 转化/(mol·L－1) 0.22 0.11 0.11‎ 平衡/(mol·L－1) 0.78 0.11 0.11‎ 则343 K时该反应的平衡常数 K343 K＝＝≈0.02。‎ ‎(2)温度越高，反应速率越快，a点温度为343 K，b点温度为323 K，故反应速率：‎ va＞vb。反应速率 则 ‎343 K下反应达到平衡状态时v正＝v逆，即 此时SiHCl3的平衡转化率α＝22%，经计算可得SiHCl3、‎ SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11，则有k正×0.782＝k逆×0.112，＝≈0.02。a处SiHCl3的平衡转化率α＝20%，此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1，则有＝eq f(k正xoal(2,＝·eq f(xoal(2,＝0.02×≈1.3。‎ 答案：(1)22　0.02　(2)大于　1.3‎