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第1课时　化学反应速率及影响因素
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
一、化学反应速率
1.含义:定量描述化学反应　快慢程度　的物理量。
2.表示方法:如果反应体系的体积是恒定的,化学反应速率通常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。
4.单位:常用　mol/(L·s)　或　mol·L-1·s-1　等来表示。
5.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,其化学反应速率值都取正值。
(3)固体或纯液体(不是溶液)的物质的量浓度可视为不变的常数,因此,一般不用固体或纯液体表示化学反应速率。
(4)同一化学反应,相同条件下用不同物质表示的化学反应速率数值可能不同,但表示的意义相同。
6.测定。
化学反应速率可以通过实验测定。需要测定不同反应时刻反应物的浓度,还可以利用气体的体积、体系的压强、颜色的深浅、光的吸收、导电能力等。例如,在溶液中进行的反应,当反应物或生成物本身有明显的颜色时,常常利用颜色变化和浓度变化之间的比例关系来测量反应速率。
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 (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
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的硫酸溶液。
(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“快”或“慢”) 结论
1 mol·L-1
H2SO4溶液 长 慢 增大反应物浓度,化学反应速率增大
4 mol·L-1
H2SO4溶液 短 快
微思考2 升高温度,只是吸热反应的反应速率增大,这种说法正确吗
提示:不正确。温度对反应速率的影响适用于各种化学反应。不管是吸热反应还是放热反应,在一定温度范围内,升高温度,化学反应速率都增大,降低温度,化学反应速率都减小。
微判断2 (1)Na、Mg、Al与同浓度的稀硫酸反应,反应速率相同。(　　)
(2)升高温度、增大压强均可增大任何反应的化学反应速率。
(　　)
(3)锌与稀硫酸反应时,c(H2SO4)越大,产生H2越快。(　　)
(4)催化剂既可以增大反应速率,也可以改变反应热。(　　)
×
×
×
×
一、化学反应速率的计算
问题探究
在2 L密闭容器中进行反应:mX(g)+nY(g)══pZ(g)+qQ(g),式中m、n、p、q为物质的化学计量数。在0~3 min内,各物质的物质的量变化如下表所示:
物质 X Y Z Q
起始/mol 0.7 1
2 min末/mol 0.8 2.7 0.8 2.7
3 min末/mol 0.8
1.请根据上述内容计算起始时的n(Y)和n(Q)。
提示:对比X的起始量和2 min末的量,可知反应逆向进行。
Δn(Q)=v(Q)·V·Δt=0.075 mol·L-1·min-1×2 L×2 min=0.3 mol,用“三段式”分析如下:
　　　　　 mX(g)+ nY(g)══pZ(g)+ qQ(g)
起始/mol　 0.7　 n(Y) 1 n(Q)
转化/mol　　 Δn(X) Δn(Y) Δn(Z) Δn(Q)
2 min末/mol　　0.8　 2.7　 0.8　 2.7
故Δn(X)=0.8 mol-0.7 mol=0.1 mol
Δn(Z)=1 mol-0.8 mol=0.2 mol
n(Q)=0.3 mol+2.7 mol=3.0 mol
Δn(Y)=0.4 mol
n(Y)=2.7 mol-0.4 mol=2.3 mol。
2.请分析上述内容并得出化学方程式中的化学计量数m、n、p、q。
提示:m∶n∶p∶q=Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(Z)∶Δn(Q)
=0.1 mol∶0.4 mol∶0.2 mol∶0.3 mol=1∶4∶2∶3。
3.请计算用Z表示的2 min内的化学反应速率。
归纳总结
1.计算化学反应速率的一般方法。
(1)定义式法。
(2)关系式法。
利用化学反应速率之比=相同时间内物质的量浓度变化之比=化学计量数之比。
2.计算化学反应速率的一般步骤——“三段式”。
(1)写出有关反应的化学方程式。
(2)找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。
(3)根据已知条件列式计算。
典例剖析
【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)
答案:C
v(H2)=0.75 mol·L-1·min-1,
v(NH3)=0.5 mol·L-1·min-1。
【拓展延伸】 根据上题,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%。
学以致用
1.一定条件下,在2 L恒容密闭容器中进行反应C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),10 min内C的质量减少了12 g,则该反应的反应速率为(　　)。
A.v(C)=0.05 mol·L-1·min-1
B.v(H2O)=0.1 mol·L-1·min-1
C.v(CO)=0.1 mol·L-1·min-1
D.v(H2)=0.05 mol·L-1·min-1
答案:D
解析:10 min内C的质量减少了12 g,参与反应的C的物质的量为12 g÷12 g·mol-1=1 mol,则反应中H2O、CO、H2的物质的量的变化量均为1 mol。C为固体,不能用其单位时间内的浓度变化来表示反应速率,A项错误;
2.反应A(g)+3B(g)══2C(g)+2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为
①v(A)=0.15 mol·L-1·min-1
②v(B)=0.01 mol·L-1·s-1
③v(C)=0.40 mol·L-1·min-1
④v(D)=0.45 mol·L-1·min-1
则该反应在不同情况下进行的快慢顺序为　　　　　　。
答案:④>③=②>①
解析:解法一:将以不同物质表示的反应速率换算为用同一物质表示的速率,再比较速率数值的大小。
若以物质A为标准,根据用不同物质表示同一反应的速率时,速率之比等于各物质的化学计量数之比,将②③④的反应速率换算为用物质A表示的反应速率,则有:
②v(A)= v(B)= ×0.01 mol·L-1·s-1×60 s·min-1
=0.20 mol·L-1·min-1,
③v(A)= v(C)= ×0.40 mol·L-1·min-1=0.20 mol·L-1·min-1,
④v(A)= v(D)= ×0.45 mol·L-1·min-1=0.225 mol·L-1·min-1,
故反应在不同情况下进行的快慢顺序为④>③=②>①。
解法二:首先将反应速率单位统一为mol·L-1·min-1,则②v(B)=0.60 mol·L-1·min-1,然后根据反应速率与对应物质化学计量数之比的大小进行判断。由化学方程式A(g)+3B(g)══2C(g)+2D(g)得出:
① =0.15 mol·L-1·min-1 ② =0.20 mol·L-1·min-1
③ =0.20 mol·L-1·min-1 ④ =0.225 mol·L-1·min-1
故反应在不同情况下进行的快慢顺序为④>③=②>①。
方法归纳 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。 (2)比值法:比较各物质表示的反应速率与其对应的化学计量数的比值,比值大者反应速率大。
二、影响化学反应速率的外界因素
问题探究
控制变量法是化学实验的常用方法之一,实验探究的科学方法及思路可总结为变量控制→对照实验→定性观察或定量测定→科学归纳。某化学兴趣小组为探究外界条件对化学反应速率的影响,设计以下四组实验。
1.写出该实验原理的离子方程式,阐述使用该原理表示化学反应速率的方法。
提示:该实验原理的离子方程式为 +2H+══ SO2↑+S↓+H2O;可比较溶液出现浑浊的时间长短,也可比较单位时间内产生二氧化硫气体的多少。
2.请分析设计实验方案①和②的目的,设计实验方案②和④的目的。
提示:实验方案①和②的目的是探究Na2S2O3的浓度对化学反应速率的影响,实验方案②和④的目的是探究温度对化学反应速率的影响。
3.请指出各实验方案中均需加入一定体积的水的原因,并根据题目分析V1和V2的数值。
提示:均需加入一定体积的水的原因为使各实验方案中混合液的体积相等,从而保证Na2S2O3溶液或稀硫酸的浓度分别相等;由上述分析可知V1=5,V2=10。
归纳总结
1.在一般情况下,当其他条件相同时:
(1)增大反应物的浓度,化学反应速率增大;降低反应物的浓度,化学反应速率减小。
(2)升高温度,化学反应速率增大;降低温度,化学反应速率减小。大量实验证明,温度每升高10 ℃,化学反应速率通常增大为原来的2~4倍,可见温度对化学反应速率的影响非常显著。
(3)催化剂可以改变化学反应速率。
(4)对于有气体参加的化学反应,增大压强,化学反应速率增大;减小压强,化学反应速率减小。
(5)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。
特别提醒 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.对任意一个化学反应,升高温度,其反应速率不一定增大,有些化学反应只在一定温度范围内进行,如生物酶催化反应,升高温度可能会使反应速率减小。
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,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。
②恒温时,对于恒容密闭容器:
③恒温、恒压时:
方法技巧 分析压强改变对化学反应速率的影响时,关键看气体反应物浓度是否有变化:若气体反应物浓度有变化,化学反应速率一定改变;若气体反应物浓度无变化,化学反应速率不改变。通常所说的增大压强是指减小容器容积。
典例剖析
【例2】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
答案: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,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】 对于反应C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g),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。
学以致用
3.反应N2+O2 2NO在密闭容器中进行,下列条件能增大其化学反应速率的是(　　)。
A.增大容器的容积使压强减小
B.容积不变充入N2使压强增大
C.容积不变充入氦气使压强增大
D.使总压强不变,充入氖气
答案:B
解析:增大容器的容积引起浓度减小,化学反应速率减小;容积不变充入N2,N2的浓度增大,化学反应速率增大;容积不变充入氦气,各反应物的浓度并没有改变,化学反应速率不变;总压强不变,充入氖气,容积增大,反应物浓度减小,化学反应速率减小。
4.采取下列措施对增大化学反应速率有明显效果的是(　　)。
A.恒温恒容条件下,工业合成氨过程中增大氮气的量
B.Na与无水乙醇反应时,增大无水乙醇的用量
C.在K2SO4溶液与BaCl2溶液反应时,增大压强
D.SO2的催化氧化是放热反应,降低温度可增大反应速率
答案:A
解析:恒温恒容条件下,在工业合成氨反应中,增大氮气的量,反应物浓度增大,则反应速率增大,A项正确;无水乙醇为纯液体,增大其用量,其浓度不变,故反应速率也不会变,B项错误;C项反应在溶液中进行,没有气体参与,增大压强,反应速率基本不变,C项错误;降低温度反应速率会变小,D项错误。
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
答案: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,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(　　)。
答案: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
答案:B
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。
4.对于反应4A(s)+3B(g) 2C(g)+D(g),经2 min,B的浓度减少0.6 mol·L-1,对此化学反应速率的表示正确的是(　　)。
A.用A表示的反应速率为0.4 mol·L-1·min-1
B.分别用A、C、D表示的反应速率其比值为4∶2∶1
C.在2 min末的反应速率,用B表示是
0.3 mol·L-1·min-1
D.在这2 min内用B表示的正反应速率逐渐减小
答案:D
解析:因A是固态物质,不能用其浓度变化来表示速率,A、B两项错误;C项所求的反应速率是2 min内平均反应速率,C项错误;随着反应进行,反应物的浓度减小,反应速率减小,故2 min内用B表示的正反应速率逐渐减小,D项正确。
5.将N2和H2的混合气体分别充入甲、乙、丙三个容器中进行合成氨的反应,经过一段时间后三个容器的反应速率分别为
v甲(H2)=3 mol·L-1·min-1,v乙(N2)=2 mol·L-1·min-1,v丙(NH3)=
1 mol·L-1·min-1。这段时间内三个容器中合成氨的反应速率的大小关系为(　　)。
A.v甲>v乙>v丙 B.v乙>v甲>v丙
C.v甲>v丙>v乙 D.v甲=v乙=v丙
答案:B
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
答案: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的物质的量n(A)=0.2 mol·L-1×0.5 L=0.1 mol,B项正确;0~10 s,A、B、C三种物质的浓度改变了0.2 mol·L-1、0.6 mol·L-1、0.4 mol·L-1,各物质的浓度变化之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比,10 s后物质的浓度不再发生变化,则反应的化学方程式为A+3B 2C,C项错误;
10 s内用B的浓度变化表示的反应速率
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。
(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。
答案:(1)2A══4B+C
(2)0.045
(3)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。