2020高中化学 化学反应速率（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 化学反应速率（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

化学反应速率 ‎【学习目标】‎ ‎1、了解化学反应速率的定量表示方法，初步了解测定某些化学反应速率的实验方法；‎ ‎2、通过实验事实和思考，掌握化学反应速率的表示方法。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、化学反应速率 ‎1、化学反应速率的概念 化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的物理量。‎ ‎2、化学反应速率的表示方法 化学反应速率通常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。符号为v，单位为mol/(L·min)、mol/(L·s)或mol/(L·h)。‎ ‎【高清课堂：化学反应的旋律节奏-化学反应速率】‎ ‎3、化学反应速率的表达式 ‎4、化学反应速率的计算规律 同一化学反应中，用不同物质的浓度变化表示的化学反应速率之比等于化学反应方程式中相应物质的化学计量数之比。这是有关化学反应速率的计算或换算的依据。如对于化学反应aA(g)+bB(g)==cC(g)+dD(g)，有下列恒等式：‎ v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=a∶b∶c∶d ‎【高清课堂：化学反应的旋律节奏-化学反应速率】‎ ‎5、有关化学反应速率的注意事项 ‎①化学反应速率均为正值，没有负值。‎ ‎②化学反应速率通常指的是某物质在某一时间内化学反应的平均速率，而不是在某一时刻的瞬时速率。‎ ‎③由于在反应中纯固体和纯液体的浓度是恒定不变的，因此对于有纯液体或纯固体参加的反应一般不用纯液体或纯固体来表示化学反应速率。化学反应速率与表面积大小有关，而与物质的量的多少无关。通常是通过增大物质的表面（如粉碎成细小颗粒、充分搅拌、振荡等）来加快化学反应速率。‎ ‎④对于同一个化学反应，在相同的反应时间内，用不同的物质来表示其反应速率，其数值可能不同，但这些不同的数值表示的都是同一个反应的反应速率。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作为标准。‎ 要点二、化学反应速率的测量 ‎1、基本思路 化学反应速率是通过实验测定的。因为化学反应中发生变化的是体系中的化学物质（包括反应物和生成物），所以与其中任何一种化学物质的浓度（或质量）相关的性质在测量反应速率时都可加以利用。‎ ‎2、用于化学反应速率测量的基本性质 8‎ ‎3、实验测量锌与硫酸反应速率 实验用品：锥形瓶、双孔塞、分液漏斗、直角导气管、50 mL注射器、铁架台、秒表、锌粒、1 mol/L的硫酸、4 mol/L的硫酸。‎ 实验步骤：①取一套装置，加入40 mL 1 mol/L的硫酸，测量收集10 mL H2所用的时间。‎ ‎②取另一套装置，加入40 mL 4 mol/L的硫酸，测量收集10 mL H2所用的时间。‎ 实验现象：锌跟硫酸反应产生气泡，②收集10 mL气体所用时间比①所用时间短。‎ 实验结果：‎ 加入试剂 反应时间/min 反应速率/(mL·min－1)‎ ‎1 mol/L H2SO4‎ 长 小 ‎4 mol/L H2SO4‎ 短 大 实验结论：4 mol/L的硫酸与锌反应比1 mol/L的硫酸与锌反应速率快。‎ 注意事项：a．锌的颗粒（即表面积）大小要基本相同；‎ b．40 mL的硫酸溶液要迅速加入；‎ c．装置气密性要好，且计时要迅速准确。‎ 问题思考：还可根据反应速率相关量的哪些变化来测定该反应的反应速率？‎ 锌跟硫酸反应的离子方程式为Zn+2H+==Zn2++H2↑，因此我们还可利用相同质量的锌完全溶解所用时间的不同、硫酸浓度的变化等来测量化学反应速率。‎ ‎【高清课堂：化学反应的旋律节奏-化学反应速率】‎ 要点三、化学反应速率的计算及比较 ‎1、化学反应速率的计算——三段式法 ‎①求解化学反应速率计算题的一般步骤：‎ 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。‎ c．根据已知条件列方程式计算。‎ ‎②计算中应注意以下量的关系：‎ a．对反应物：c(起始)－c(转化)=c(某时刻)‎ b．对生成物：c(起始)+c(转化)=c(某时刻)‎ 8‎ c．‎ ‎2、化学反应速率的比较 ‎①选用同种物质作标准 换算成用同一物质、同一单位表示的化学反应速率，再比较其数值大小。‎ ‎②比较化学反应速率与化学计量数的比值：如反应aA+bBcC，要比较v(A)与v(B)的相对大小，可比较与的大小，若，则A的反应速率比B的反应速率大。‎ 要点四、测定化学反应速率的物理方法 测定化学反应速率的关键是测定某一时间间隔内反应体系中某物质浓度的变化。由于物质的某些物理性质（如压强、体积、吸光度、电导率等）与其物质的量或浓度存在函数关系，因此人们常用物理方法准确而快速地测定反应物或生成物浓度的变化来确定其化学反应速率。常用于测定化学反应速率的物理方法有以下几种：‎ ‎1、量气法 对于反应2H2O2==2H2O+O2↑，可测量反应中唯一的气体产物氧气在一定温度、压强时的体积变化。‎ ‎2、比色法 由于不同浓度的物质对特定波长的光的吸收性能不同，因此可以通过吸光度来测定反应物浓度。例如，在丙酮的溴化反应中：‎ CH3COCH3+Br2—→CH3COCH2Br+HBr 有色反应物Br2吸收波长为‎450 mm的光波，因此可用分光光度计测量溶液对该波长光波的吸光度，据此计算化学反应速率。‎ ‎3、此外，激光技术也已广泛应用于化学反应速率的测定。‎ 要点五、关于化学反应速率的特别说明 ‎1、化学反应速率表述的共同之处：①都有一个确定的起点（速率为0）；②都有一个与速率大小相匹配的时间单位；③都有能说明体系某种变化的可计量的性质（如质量、体积、压强、浓度等）。‎ ‎2、一个确定的化学反应涉及反应物和生成物等多种物质，在中学化学里，通常所说的化学反应速率的快慢，往往是对整个化学反应而言的，例如H2+F2==2HF反应很快、CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+ H2O反应很慢等；定量地表示化学反应速率是对某种具体物质而言的，例如在N2+3H22NH3中v(N2)=0.5 mol/(L·min)等。‎ ‎3、由于在一定时间内的化学反应，有关物质的物质的量浓度是连续变化的，所以化学反应速率有平均速率和即时（或瞬时）速率之分。在中学化学里，通常所说的化学反应速率一般是指平均速率。在速率一时间图像中经常出现瞬时速率，如锌粒与0.1 mol·L－1盐酸反应，在一定温度下的反应速率与反应时间的关系如图所示，图像中A点表示的就是在反应过程中t1时刻的瞬时反应速率。‎ 要点六、有效碰撞理论 ‎1、有效碰撞 反应物分子间的碰撞 能够发生化学反应的碰撞 不能发生化学反应的碰撞 有效碰撞 无效碰撞 ‎ 要点诠释：化学反应发生的先决条件是反应物分子之间必须发生碰撞。反应物分子之间的碰撞只有少数碰撞能导致化学反应的发生，多数碰撞并不能导致反应的发生，是无效碰撞。碰撞的频率越高，则化学反应速率就越大。研究发现，只有既具有足够的能量又有合适的碰撞取向的分子碰撞，才是有效碰撞。‎ ‎2、活化分子和活化能 8‎ ‎ ①活化分子：能够发生有效碰撞的分子。活化分子之间之所以能够发生有效碰撞，是由于它们的能量高，发生碰撞时，能够克服相撞分子之间的排斥力，破坏分子内部原子之间的“结合力”，从而导致反应物分子的破坏，重新组合成生成物分子，发生化学反应。‎ ‎②活化能：活化分子所多出的那部分能量（或普通分子转化成活化分子所需的最低能量）。右图所示的E1是反应的活化能，E2是活化分子变成生成物分子放出的能量，能量差E2－E1是反应热。活化能越小，普通分子就越容易变成活化分子。‎ ‎ 普通分子+活化能活化分子 ‎ 活化能的大小虽然意味着普通分子成为活化分子的难易，但是对这个化学反应前后的能量变化并不产生任何影响。‎ ‎ ③活化能与化学反应速率：在一定条件下，活化分子所占的百分数是固定不变的。活化分子的百分数越大，单位体积内活化分子数越多，单位时间内有效碰撞的次数越多，化学反应速率就越快。‎ ‎ 活化能低→普通分子易变成活化分子→活化分子百分数大→有效碰撞次数多→反应速率快 ‎ 利用有效碰撞理论可以解释外界条件（浓度、压强、温度、催化剂）对化学反应速率的影响。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、化学反应速率概念的理解 例题1 下列有关化学反应速率的说法中正确的是（ ）‎ A．对任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显 B．化学反应速率通常用单位时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加来表示 C．若某化学反应在一定时间段内的反应速率为0.5 mol/(L·s)，则在该时间段内反应物和生成物的浓度变化都为0.5 mol/L D．化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的尺度 ‎【答案】D ‎【解析】不是所有化学反应都有明显的现象，A错误；不是所有的物质都可以用来表示反应速率，固体和纯液体一般不用来表示反应速率，因为纯固体和纯液体的浓度不发生变化，视为常数，B错误；反应速率指单位时间内反应物或生成物的浓度变化，C错误。‎ 例题2 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+3H22NH3，2 min时测得剩余N2为1 mol，此时化学反应速率表示不正确的是（ ）‎ 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．v(NH3)=‎0.25 mol·L―1·min―1‎ ‎【答案】CD ‎【解析】解法一：求化学反应速率，需先求物质的量浓度的变化量和反应所耗时间，据物质的量的变化量与体积的比可得出浓度的变化量。‎ 则v(N2)=(2―1) mol/(‎2 L×2 min)=0.25 min·L－1·min―1，‎ v(H2)=3 mol/(‎2 L×2 min)=0.75 mol·L―1·min―1，‎ v(NH3)=2 mol/(‎2 L×2 min)=0.5 mol·L―1·min―1。‎ 解法二：用N2来表示其反应速率时，‎ 8‎ ‎。‎ 因为v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2，则v(H2)=0.75 mol·L―1·min―1，v(NH3)=0.5 mol·L―1·min―1。‎ ‎【高清课堂：化学反应的旋律节奏-化学反应速率】‎ 例题3 反应‎2A(g)+B(g)==‎3C(g)+4D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为：‎ ‎①v(A)=0.5 mol/(L·s)；②v(B)=0.3 mol/(L·s)；‎ ‎③v(C)=0.8mol/(L·s)；④v(D)=1 mol/(L·s)。‎ 该反应进行的快慢顺序为________。‎ ‎【答案】②＞③＞④=①‎ ‎【解析】解法一：由反应速率之比与物质的化学计量数之比，比较后作出判断。由化学方程式‎2A(g)+B(g)=‎3C(g)+4D(g)得出：‎ a．v(C)∶v(B)=3∶1，而v(C)∶v(B)=0.8∶0.3=8∶3，故v(B)＞v(C)，从而得②＞③。‎ b．v(A)∶v(D)=1∶4，而v(A)∶v(D)=0.5∶1=1∶4，故v(A)= v(D)，从而④=①。‎ c．v(C)∶v(D)=3∶4，而v(C)∶v(D)=0.8∶1=4∶5，故v(C)＞v(D)，从而得③＞④。‎ 故该反应进行的快慢顺序为：②＞③＞④=①。‎ 解法二：将不同物质表示的反应速率换算为同一物质表示的反应速率，再比较反应速率数值的大小。‎ 若以物质B为标准，将其他物质表示的反应速率换算为用物质B表示的速率，则有：‎ v(B)∶v(A)=1∶2，则①表示的v(B)=0.25 mol/(L·s)；‎ v(B)∶v(C)=1∶3，则③表示的v(B)=0.8/3 mol/(L·s)；‎ v(B)∶v(D)=1∶4，则④表示的v(B)=0.25 mol/(L·s)。‎ 故反应进行的快慢顺序为：②＞③＞④=①。‎ 举一反三：‎ ‎【高清课堂：化学反应的旋律节奏-化学反应速率】‎ ‎【变式1】将等物质的量的A、B混合于‎2 L的密闭容器中，发生如下反应：‎3 A(g) + B(g) x C(g) + 2 D(g)，经5 min后，测得D的浓度为0.5 mol/L，C的平均反应速率0.1 mol/(L·min)，且c(A)∶c(B)=3∶5。求：‎ ‎（1）此时A的浓度及反应开始前放入容器中A、B物质的量；‎ ‎ （2）B的平均反应速率；‎ ‎ （3）x值是多少？‎ ‎【解析】本题可用三段式法求解，设反应前放入容器中A、B物质的量均a，则其反应前浓度均为‎0.5a。由5分钟时D的浓度可求出此时D的物质的量，再根据反应方程式中的计量数，可知：‎ 由题意c(A)∶c(B)=3∶5=( a-1.5):( a-0.5)，解得a=3mol，‎ 所以，开始前放入容器中A、B的物质的量均为3mol ‎5min后A的浓度为：c(A)=(3-1.5)mol/‎2L=0.75mol/L B的平均反应速率为：v(B)=0.5mol÷‎2L÷5min=0.05mol/(L·min)‎ 化学反应中各物质的速率比等于计量系数比：v(B):v(C)=0.05：0.1=1：2，所以x=2‎ ‎【答案】‎ ‎（1）此时A的浓度为0.75mol/L，反应开始前放入容器中A、B物质的量均为3mol；‎ ‎ （2）B的平均反应速率为0.05mol/(L·min)；‎ 8‎ ‎ （3）x值是2。‎ 类型二、化学反应速率的测量 例题4 “碘钟”实验中，3I―+S2O42―==I3―+2SO42―的反应速率可以用I3―与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量，t越小，反应速率越大。某探究性学习小组在‎20℃‎下进行实验，测得的数据如下表所示：‎ 实验编号 ‎①‎ ‎②‎ ‎③‎ ‎④‎ ‎⑤‎ c(I―)/mol·L―1‎ ‎0.040‎ ‎0.080‎ ‎0.080‎ ‎0.160‎ ‎0.120‎ c(S2O82―)/mol·L―1‎ ‎0.040‎ ‎0.040‎ ‎0.080‎ ‎0.020‎ ‎0.040‎ t/s ‎88.0‎ ‎44.0‎ ‎22.0‎ ‎44.0‎ t1‎ 回答下列问题：‎ ‎（1）该实验的目的是________________。‎ ‎（2）显色时间t1=________。‎ ‎（3）温度对该反应的反应速率的影响符合一般规律，若在‎40℃‎下进行编号③对应浓度的实验，显色时间t2的范围为________（填序号）。‎ A．＜22.0 s B．22.0 s～44.0 s C．＞44.0 s D．数据不足，无法判断 ‎（4）通过分析比较上表数据，得到的结论是________________。‎ ‎【答案】（1）研究反应物I―与S2O82―的浓度对反应速率的影响 ‎（2）29.3 s （3）A ‎（4）反应速率与反应物起始浓度乘积成正比（或显色时间与反应物起始浓度乘积成正比）‎ ‎【解析】由已知数据可知，当两组实验的c(I―)和c(S2O82―)乘积相等时，显色时间也相等，即反应速率相等，但显色时间与反应速率成反比，故。升高温度可以加快化学反应速率，即缩短显色时间，故t2＜22.0 s。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】反应速率v和反应物浓度的关系是用实验方法测定的，化学反应H2+Cl2==2HCl的反应速率v可表示为v=k [c(H2)]m·[c(Cl2)]n，式中k为常数，m、n的值可用下表中的数据确定。‎ c(H2)/mol·L－1‎ c(Cl2)/mol·L－1‎ v/(mol·L－1)m+n ‎1.0‎ ‎1.0‎ ‎1.0k ‎2.0‎ ‎1.0‎ ‎2.0k ‎2.0‎ ‎4.0‎ ‎4.0k ‎ （1）由此可推算得m、n的值分别为m=________，n=________。‎ ‎（2）由公式可知________[填“c(H2)”或“c(Cl2)”]对反应速率的影响大。‎ ‎【解析】（1）将三组数据分别代入v=k [c(H2)]m·[c(Cl2)]n中，列方程可求得m=1、。‎ ‎（2）从速率方程中可看出，反应速率分别与c(H2)和成正比，显然前者对反应速率影响大。‎ ‎【答案】（1）1 （2）c(H2)‎ 例题5 请你协助化学兴趣小组的同学完成如下实验，并回答相关问题。‎ 实验目的：比较等体积的0.5 mol·L―1硫酸、1 mol·L―1盐酸、1 mol·L―1醋酸分别与金属反应生成氢气的速率和体积。‎ 实验原理：（用离子方程式表示）________________。‎ 8‎ 实验用品：仪器（略）、药品（除给定的三种酸溶液外，在Na、Mg、Fe三种金属中选择最合适的一种，并说明理由）。选择的金属是________，不选其他两种金属的理由是________________。‎ 实验步骤：‎ ‎（1）甲同学设计的实验装置（如图所示）：‎ ‎（2）乙同学认为该装置不能控制三个反应在同一时间发生，并作了相应的改进。你认为乙同学的改进措施是________________。‎ ‎（3）按改进后的装置进行实验，观察实验现象并得出相关结论。‎ ‎①反应开始时的速率：v(H2SO4) ________v(HCl) ________v(CH3COOH)（用“＝”“＜”或“＞”填空，下同），反应进行一段时间后的速率：v(H2SO4)=v(HCl) ________v(CH3COOH)；‎ ‎②最终得到的氢气体积：V(H2/H2SO4) ________V(H2/HCl) ________V(H2/CH3COOH)。‎ 问题讨论：‎ ‎（4）量筒的规格由________决定。‎ ‎【答案】实验原理：‎ ‎2H++Mg==H2↑+Mg2+‎ ‎2CH3COOH+Mg==H2↑+Mg2++2CH3COO―‎ 实验用品：Mg Na太活泼，能和水反应产生氢气，影响实验结论；Fe与酸反应的速率较慢，实验时间较长 实验步骤：（2）同时用分液漏斗分别向烧瓶中加入酸溶液 ‎（3）①＝ ＞ ＜ ② ＝ ＝‎ 问题讨论：（4）酸溶液的体积 ‎【解析】实验步骤：（2）为控制三个反应器内反应能同时发生，就必须保证能同时向三个反应器中加入酸溶液，因此可采用分液漏斗滴加的方式。‎ ‎（3）①因为醋酸是弱电解质，故浓度相同的酸，反应开始时醋酸中c(H+)的浓度较小，反应慢，开始一段时间后盐酸和硫酸溶液中c(H+)减少得较快，故反应进行到一定程度后，金属与醋酸的反应速率大于金属与盐酸和硫酸的反应速率。‎ ‎②金属过量时，产生H2的体积以酸溶液为标准，故三种溶液中产生H2的体积相等。‎ 问题讨论：（4）考查实验基本知识，选取量器的原则是保证一次成功量取，且选用仪器量程不能过大。‎ 类型三、有效碰撞理论 ‎ 例题6 下列说法正确的是（ ）‎ ‎ ①活化分子间的碰撞一定能发生化学反应；②普通分子间的碰撞有时也能发生化学反应；③活化分子比普通分子具有较高的能量；④化学反应的实质是原子的重新组合；⑤化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成过程；⑥化学反应的实质是活化分子有合适取向时的有效碰撞。‎ ‎ A．①③④⑤ B．②③⑥ C．④⑤⑥ D．②④⑤‎ ‎【答案】C ‎ 【解析】①观点错误，因为活化分子有合适取向时的碰撞，才能发生化学反应。②观点错误，因为普通分子间的碰撞并非有效碰撞，因而不会发生化学反应。③指代不明确，即某种普通分子所具有的能量可能比另一种活化分子的能量高，因而是错误的。‎ 举一反三：‎ 8‎ ‎【变式1】1918年，Lewis提出反应速率的碰撞理论：反应物分子间的相互碰撞是反应进行的必要条件，但并不是每次碰撞都能引起反应，只有少数碰撞才能引起化学反应。能引发化学反应的碰撞称为有效碰撞。‎ ‎ （1）图Ⅰ是HI分解反应中HI分子之间的几种碰撞示意图，其中属于有效碰撞的是________（填“A”“B”或“C”）。‎ ‎ （2）20世纪30年代，Eyring和Pelzer在碰撞理论的基础上提出了化学反应的过渡态理论：化学反应并不是通过简单的碰撞就能完成的，而是在反应物到生成物的过程中经过一个高能量的过渡态。图Ⅱ是NO2和CO反应生成CO2和NO的过程中能量变化示意图，请写出NO2和CO反应的热化学方程式：________________。‎ ‎ （3）过渡态理论认为，催化剂改变反应速率的原因是改变了反应的途径，对大多数反应而言主要是通过改变过渡态而使有效碰撞所需要的能量发生变化。请在图Ⅱ中作出NO2和CO反应时使用催化剂而使反应速率加快的能量变化示意图。‎ ‎【答案】（1）C （2）NO2(g)+CO(g)==CO2(g)+NO(g) ΔH=－234 kJ/mol ‎（3）如图。‎ ‎ 【解析】（1）有效碰撞是发生化学反应的碰撞，即有新物质生成的碰撞，显然选C。（2）当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热。反之吸热，注意书写热化学方程式时必须标明反应物和生成物的状态。（3）催化剂的主要作用是使发生有效碰撞所需的能量降低，使发生反应的门槛降低，即过渡态的能量较低。‎ 8‎