知识讲解_化学反应速率_提高

1 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2 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)3 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+bB cC，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+CH3CH2OH CH3COOCH2CH3+ 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+3H2 2NH3 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 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 ( ) 100%( ) c c ×转化转化率= 起始 ( )v A a ( )v B b ( ) ( )v A v B a b > 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4 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+3H2 2NH3，2 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，  活化 去活化5 。 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)； （3）x 值是 2。 1 1 2 (2 1)mol(N ) 0.25mol L min2L 2minv − −−= = ⋅ ⋅×6 类型二、化学反应速率的测量 例题 4 一定温度下，10 mL 0.40 mol/L H2O2 溶液发生催化分解。不同时刻测得生成 O2 的体积（已折算为标 准状况）如下表。 t/min 0 2 4 6 8 10 V(O2)/mL 0.0 9.9 17.2 22.4 26.5 29.9 下列叙述不正确的是（溶液体积变化忽略不计）（　　） A．0～6 min 的平均反应速率：v(H2O2)≈3.3×10－2mol·L－1·min－1 B．6～10min 的平均反应速率：v(H2O2)1mol/L。 c3 的值如果是 1.0mol/L，则第三种情况平衡时浓度也应该为 0.5mol/L，但是现在是 0.6mol/L，所以一定是 起始的浓度大了，才有可能在平衡时达到 0.6mol/L。因此 c3 的值一定大于 1.0mol/L mol2(C) 0.1mol/(L min)2L 5min x v = = ⋅× 5.6 g(Fe) =0.1 mol56 g / moln = 2 1.12 L(H ) =0.05 mol22.4 L / moln = 0.05 mol 0.1 L 2 min⋅ 0.1 mol 0.1 L 4 min⋅