人教版化学必修二2-3-1课件第二章 化学反应与能量第三节 化学反应的速率和限度 60页

第三节　化学反应的速率和限度 ( 共 2 课时 ) 化学反应有快有慢，有的瞬间完成，有的则需要上亿年的时间。 近几十年来，欧洲的古代建筑和雕刻品以及北京故宫里面的 “ 云龙陛石 ” 上面精美的蟠龙图案浮雕，加速了腐蚀，有些甚至已变得面目全非。你知道是什么原因吗？ 在化学中，我们不仅关心什么物质之间会反应，也关心反应有多快。黑火药一刹间就能发生爆炸，而塑料的自行分解则进行得极其缓慢。化学反应进行的快慢与我们有什么关系？我们如何能改变化学反应的速率呢？ ● 梳理导引 1 ．化学反应速率 (1) 表示法：通常用单位时间内 ____________ 浓度或某种 ____________ 浓度的变化来表示。 (2) 公式： ____________ 式中的 △ t 表示某段时间间隔， △ c 表示该段时间内的反应物或生成物的浓度的变化。 (3) 单位： ____________ 或 ____________ 等。 2 ．影响化学反应速率的因素 (1) 内因：反应物的 ____________ 。这是一个化学反应的反应速率的决定性影响因素。 (2) 外因： ① 浓度：增大 ____________ 的浓度可以 ____________ 化学反应速率。 ② 压强：对于有 ____________ 参加的反应来说，增大压强，就是增加单位体积里反应物的 ____________ ，即增大反应物的 ____________ ，因而可以 ____________ 化学反应速率。 ③ 温度：当其他条件不变，升高温度一般可以使化学反应速率 ____________ 。 ④ 催化剂：当其他条件不变时，加入催化剂一般可以使化学反应速率 ____________ 。 ● 问题探究 1 ．在古书 《 吴越春秋 》 上曾记载： “ 勾践之出游也，休息食宿于冰厨。 ” 这里所说的 “ 冰厨 ” ，就是古代人们专门用来储存食物的一间房子，是夏季供应饮食的地方。 请从化学反应快慢的角度解释为什么使用电冰箱保存食物？ 提示： 食物腐败是因为发生了化学反应，在其他条件相同时，温度越低，化学反应越慢，所以人们用电冰箱把食物放置在低温下保存，以减缓食物的腐败。 2 ． 反应 2CO ＋ 2NO===N 2 ＋ 2CO 2 ，从稳定性角度分析，生成物要比反应物稳定的多，研究人员经计算得知即使在很低浓度下也应完全反应，但遗憾的是，在通常情况下，该反应进行的非常之慢，以至于不能有一个实用的方法来消除汽车尾气的 CO 、 NO ，你有哪些方法能加快该反应的反应速率？ 提示： 使用催化剂，升高温度等措施可加快化学反应速率。 3 ．改变外界条件对化学反应速率有什么样的影响？ 提示： 实验证明：增加反应物的浓度、升高温度、增大压强、增大反应物的接触面积、使用适当的催化剂都可以提高化学反应速率。 ● 细品教材 1 ． 化学反应速率及其表示方法 (1) 化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量 ( 均取正值 ) 来表示。浓度常以 mol/L 为单位，时间常以 min( 分 ) 或 s( 秒 ) 为单位，化学反应速率的单位相应为 mol/(L · min ) 或 mol/(L · s ) 。 ① 化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的尺度。它与两个因素有关：一个是时间；另一个是反应物或生成物的浓度。反应物的浓度随着反应的不断进行而减少，生成物的浓度则不断增加。 ② 在同一反应中用不同的物质来表示反应速率时，其数值可以是不同的，但这些数值所表示的都是同一个反应速率。因此，表示化学反应的速率时，必须说明用反应物或生成物中哪种物质做标准。不同物质的速率的比值一定等于化学方程式中相应化学计量数之比。如： 化学反应 m A(g ) ＋ n B(g)  p C(g ) ＋ q D(g ) 的 v (A): v (B): v (C): v (D ) ＝ m : n : p : q 。 ③ 一般来说，化学反应速率随反应的进行而逐渐减慢。因此，某一段时间内的反应速率，实际是指一段时间内的平均速率，而不是指瞬时速率。 (2) 主要题型 ① 计算用某物质的浓度变化表示的化学反应速率。 ② 同一化学反应中，用不同物质表示的化学反应速率间的相互转换。 ③ 根据反应速率，计算反应进行的时间或确定某物质的变化量。 ④ 根据不同物质的反应速率关系确定反应的化学方程式。 ⑤ 比较同一个化学反应在不同条件下化学反应速率的相对大小。 温馨提示： 同一个化学反应，用不同物质表示其反应速率时，数值可能不同，所以比较同一个化学反应的反应速率的相对大小时，不能直接比较数值大小，应先转化为同一物质、同一单位，然后再比较其数值大小，数值越大表明反应越快。 ● 典例精析 【例 1 】　下列关于化学反应速率的说法正确的是 ( 　　 ) A ．化学反应速率是指一定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 B ．化学反应速率为 “ 0.8 mol/(L · s ) ” 所表示的意思是：时间为 1 s 时，某物质的浓度为 0.8 mol · L － 1 C ．根据化学反应速率的大小可以知道化学反应进行得快慢 D ．对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显 【解析 】 　 化学反应速率是指单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加，是正值，是反应物的平均速率，故 A 、 B 错误。 对于无明显现象的化学反应而言，速率大小与现象没有关系，故 D 不正确。 【答案 】 　 C 【例 2 】　某温度时，在 2 L 容器中 X 、 Y 、 Z 三种物质随时间的变化关系曲线如图所示。 (1) 由图中的数据分析，该反应的化学方程式为 ________________________________________________________________________ ； (2) 反应开始至 2 min 、 5 min 时， Z 的平均反应速率分别为 ____________ 、 ____________ ； (3)5 min 后 Z 的生成速率 ____________( 填 “ 大于 ”“ 小于 ” 或 “ 相等 ” )5 min 末 Z 的生成速率。 【解析 】 　 根据不同物质的速率的比值一定等于化学方程式中相应的化学计量数之比来确定系数；根据定义求出 Z 的速率； 5 min 时，反应达到了一定限度，各物质的反应速率不再改变，故 5 min 后 Z 的生成速率与 5 min 末 Z 的生成速率相等。 【答案 】 　 (1)3X ＋ Y  2Z (2)0.05 mol · (L · min ) － 1 　 0.04 mol · (L · min ) － 1 (3) 相等 【点拨】　 此类图象题关键找准各物质不再改变 ( 即达到平衡 ) 的时间和对应纵坐标数值，然后根据各物质的浓度变化量计算出化学计量数。 　反应 4A(s) ＋ 3B(g)===2C(g) ＋ D(g ) ，经 2 min 后 B 的浓度减少 0.6 mol/L 。对此反应速率的正确表示是 ( 　　 ) A ．用 A 表示的反应速率是 0.4 mol/(L · min ) B ．用 B 、 C 、 D 分别表示反应的速率，其比值是 3:2:1 C ．在 2 min 末的反应速率用 B 表示是 0.3 mol/ (L · min ) D ．在这 2 min 内用 B 和 C 表示的速率的值都是逐渐减小的 【解析 】 　 A 为固体，一般不用固体表示反应速率，所以 A 项错误；同一反应中，用不同物质表示的速率与方程式中各物质的计量数成正比，故 B 项正确； C 项中，反应速率为平均值，并非 2 min 末的速率，所以 C 项错误； B 为反应物，而 C 为生成物，两者不可能同时减少，故 D 项错误。 【答案 】 　 B 【点拨】　 化学反应速率是指反应过程中某物质在单位时间内浓度的变化值，值得注意的是：同一个反应，当用不同物质表示时，其数值可能不同，但表示的意义相同 ( 都是某反应在某段时间内的平均速率 ) ，且用不同物质表示的化学反应速率之比等于化学计量数之比。利用此关系解题，既快速又准确，可以节省解题时间。 　 ( 浙江温州十校联合体 2009 ～ 2010 学年度高一下学期期中联考 ) 可逆反应 2A(g) ＋ 3B(g)  2C(g) ＋ D(g ) 在四种不同条件下的反应速率分别为 ① v (A ) ＝ 0.5mol · (L · min) － 1 　 ② v (B ) ＝ 0.6 mol · (L · min ) － 1 　 ③ v (C ) ＝ 0.35mol · (L · min) － 1 　 ④ v (D ) ＝ 0.4mol · (L · min) － 1 该反应在不同条件下反应速率最快的是 ( 　　 ) A ． ② 　　　 B ． ④ 　　　 C ． ① 　　　 D ． ③ 【答案 】 　 B ● 细品教材 1 ． 实验方案设计 实验序号 实验内容 实验现象 实验结论 ① 取 2 支大小相同的试管，分别加入 5 mL 0.5 mol · L － 1 的盐酸，然后将表面积相同的镁条、铁片分别放入试管中。观察金属片上产生气泡的快慢 镁条上产生气泡快，铁片上产生气泡相对较慢 在其他条件相同时，金属的活动性越强，与酸的反应进行地越迅速 实验序号 实验内容 实验现象 实验结论 ② 称取一块状碳酸钙和碳酸钙粉末各 1 g 分别放入 2 支大小相同的试管中，然后分别同时向 2 支试管中加入 10 mL 3 mol · L － 1 的盐酸。观察试管内产生气泡的快慢 盛碳酸钙粉末的试管内产生气泡快，盛块状碳酸钙的试管内产生气泡慢 在其他条件相同时，固体反应物的表面积越大，化学反应进行地越迅速 ③ 取 2 支大小相同的试管，分别加入 5 mL 0.5 mol · L － 1 盐酸和 5 mL 3 mol · L － 1 的盐酸。然后取两块相等大小的铁片，分别放入两支试管中，观察铁片上产生气泡的快慢 加 0.5 mol · L － 1 盐酸的试管内产生气泡慢，加 3 mol · L － 1 盐酸的试管内产生气泡快 在其他条件相同时，反应物的浓度越大，化学反应进行地越迅速 实验序号 实验内容 实验现象 实验结论 ④ 取两块相等大小的铁片分别放在 2 支大小相同的试管中，再向 2 支试管中都加入 5 mL 0.5 mol · L － 1 的盐酸。然后用酒精灯对其中 1 支试管加热，观察铁片上产生气泡的快慢 加热的试管中铁片上产生气泡快，不加热的试管中铁片上产生气泡较慢 在其他条件相同时，反应物的温度越高，化学反应进行地越迅速 ⑤ 取 2 支大小相同的试管，分别向其中加入 3 mL 3% 的过氧化氢溶液，再向其中 1 支试管中加入二氧化锰粉末，观察试管内气泡产生的快慢 加 MnO 2 的试管中立即产生大量气泡，不加 MnO 2 的试管中只有少量气泡出现 在其他条件相同时，加入催化剂能使化学反应进行地越迅速 2. 影响化学反应速率的因素 (1) 内因 化学反应速率是由物质的性质决定的。 (2) 外因 ① 浓度：当其他条件不变时，增大反应物的浓度，使反应速率加快。 ② 温度：当其他条件不变时，升高温度，能加快反应速率。 ③ 接触面积：当其他条件不变时，增大反应物间的接触面积可以提高反应速率。 ④ 催化剂：许多反应都可以使用催化剂提高化学反应速率。 ⑤ 另外，影响化学反应速率的外界条件还有压强 ( 对于有气体参加的反应 ) ，光波、电磁波、超声波、溶剂等。 说明： ① 固体或纯液体的浓度为常数，加大它们的量不能改变其浓度，也就不改变反应速率。 ② 催化剂可以使一些化学反应在较低温度下取得较高的反应速率，从而节省大量能源，有效地提高化工生产的经济效益。 ③ 在温度对化学反应速度的影响中，在通常状况下温度每升高 10 ℃ ，化学反应速率就提高到原来的 2 ～ 4 倍。 ④ 在压强对化学反应速率的影响中， “ 压强 ” 是指气体反应物的压强，因为在温度和物质的量一定的条件下气体压强的变化实质上是气体浓度的变化，而固体和液体的体积受压强的影响甚小，通常忽略不计。 ⑤ 从数形关系规律的角度来看，可以用直角坐标系中的图像来表示化学反应速率与影响因素之间的关系。例如在锌跟盐酸的反应中，反应速率与盐酸浓度的关系、反应速率与反应物温度的关系，分别可用下图中的 Ⅰ 和 Ⅱ 表达出来。 3 ． 调控化学反应速率的意义 在生产和生活中，人们可以根据需要采取适当的措施加快某些反应过程，如炼钢过程、树脂的合成过程、泄露到大海里的石油的分解过程等；也可以根据需要降低某些反应的化学反应速率，如防止钢铁腐蚀和食品腐败、延缓塑料制品和橡胶制品的老化等。 ● 典例精析 【例 3 】　 (2009 · 宁夏、辽宁理综， 10) 硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应的化学方程式为： Na 2 S 2 O 3 ＋ H 2 SO 4 ===Na 2 SO 4 ＋ SO 2 ↑ ＋ S  ＋ H 2 O ，下列各组实验中最先出现浑浊的是 ( 　　 ) 实验 反应温度 / ℃ Na 2 S 2 O 3 溶液 稀 H 2 SO 4 H 2 O V /mL c /(mol · L － 1 ) V /mL c /(mol · L 1 － ) V /mL A 25 5 0.1 10 0.1 5 B 25 5 0.2 5 0.2 10 C 35 5 0.1 10 0.1 5 D 35 5 0.2 5 0.2 10 【解析 】 　 本题考查影响化学反应速率的因素。温度越高、溶液的浓度越大，化学反应速率越快，即出现浑浊所需时间越短。综合分析 4 种情况下的温度和浓度， D 中温度最高，溶液浓度最大。所以本题选 D 。 【答案 】 　 D 【例 4 】　 ( 山师大附中 2009 ～ 2010 学年度高一下学期期中考试， 17) 用铁片与稀硫酸反应制氢气时，下列措施不能使氢气的生成速率加快的是 ( 　　 ) A ．加热 B ．不用稀硫酸，改用 98% 的浓硫酸 C ．用浓度更大一些的稀硫酸 D ．不用铁片，改用铁粉 【解析 】 　 加热、发生原电池反应、增大固体反应物的表面积都能加快反应速率。浓硫酸使铁发生钝化 ( 钝化很快完成 ) ，阻止了反应进一步的发生，反应停止，无氢气生成。 【答案 】 　 B 【点拨】　 本题主要考查影响化学反应速率的因素。 【例 5 】　把除去氯化膜的铁条投入到盛有少量稀盐酸的试管中，发现氢气生成的速率变化情况如下图所示。其中 t 1 ～ t 2 速率变化的主要原因是 ____________ ； t 2 ～ t 3 速率变化的主要原因是 ____________________________ 。 【解析 】 　 铁与盐酸的反应是放热反应，该反应中并存两个影响化学反应速率的外因：一是反应放出的热量使反应体系温度升高，化学反应速率增大；二是反应物 c (HCl ) 逐渐减小，反应速率减小。 【答案 】 　反应是放热反应，温度升高使化学反应速率增大　盐酸的浓度变小，使化学反应速率减小 【点拨】　 本题关键是由事实推测影响化学反应速率的因素。 　 把镁条投入到盛有盐酸的敞口容器里，产生 H 2 的速率如下图所示。在下列因素中，影响反应速率的因素是 ( 　　 ) ① 盐酸的浓度 ② 镁条的表面积 ③ 溶液的温度 ④ Cl － 的浓度 A ． ①④ 　　　　　 B ． ②③ C ． ①②③ D ． ③④ 【解析 】 　 镁条和盐酸反应的离子方程式为 Mg ＋ 2H ＋ ===Mg 2 ＋ ＋ H 2  ，是镁与 H ＋ 之间的置换反应，与 Cl － 浓度无关，再从影响反应速率的条件去分析即得答案。 【答案 】 　 C 【点拨】　 在镁条的表面有一层氧化膜，当将镁条投入盐酸时，随着氧化膜的不断溶解， Mg 与盐酸的接触面积不断增大，则产生 H 2 的速率会加快。溶液的温度对该反应也有影响，溶液温度越高，产生 H 2 的速率越快，随着反应的进行， H ＋ 浓度会不断减小，则反应速率会逐渐减慢。 　 下表是稀硫酸与某金属反应的实验数据： 实验序号 金属质量 /g 金属状态 c (H 2 SO 4 ) /mol · L － 1 V (H 2 SO 4 ) /mL 溶液温度 / ℃ 金属消失的时间 /s 反应前 反应后 1 0.10 丝 0.5 50 20 34 500 2 0.10 粉末 0.5 50 20 35 50 3 0.10 丝 0.7 50 20 36 250 4 0.10 丝 0.8 50 20 35 200 5 0.10 粉丝 0.8 50 20 36 25 6 0.10 丝 1.0 50 20 35 125 7 0.10 丝 1.0 50 35 50 50 8 0.10 丝 1.1 50 20 34 100 9 0.10 丝 1.1 50 30 44 40 分析上述数据，回答下列问题： (1) 实验 4 和 5 表明， ____________ 对反应速率有影响， ____________ 反应速率越快，能表明同一规律的实验还有 ____________( 填实验序号 ) 。 (2) 仅表明反应物浓度对反应速率产生影响的实验有 ____________( 填实验序号 ) (3) 本实验中影响反应速率的其他因素还有 ________ ，其实验序号是 ____________ 。 (4) 实验中的所有反应，反应前后溶液的温度变化值 ( 约 15 ℃ ) 相近，推测其原因： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 。 【解析 】 　 (1) 实验 4 与实验 5 相比较，其他条件相同，但金属的状态不同，粉末状明显比丝状反应速率快，这说明接触面积越大，反应速率越快。符合这一规律的实验还有实验 1 、 2 之间。 (2) 实验 1 、 3 、 4 、 6 、 8 反应前金属的状态相同 ( 均为丝状 ) ，反应前温度相同 ( 均为 20 ℃ ) ，硫酸的体积相同，但硫酸的浓度不同，造成它们的反应速率不同，金属消失的时间不同。其中硫酸的浓度越大，反应速率越快，金属消失的时间越短。实验 2 、 5 同样也能反映出浓度对化学反应速率的影响。 (3) 通过实验 6 、 7( 或实验 8 、 9) 能体现出反应液的温度越高，化学反应速率越快，金属消失的时间越短。 (4) 几次实验中，因金属的质量相等，且硫酸过量 ( 但体积均为 50 mL ) ，金属跟酸反应放出的热量相等，溶液温度的变化值相近。 【答案 】 　 (1) 固体反应物的表面积　接触面积越大　 1 、 2 (2)1 、 3 、 4 、 6 、 8( 或 2 、 5) (3) 反应温度　 6 、 7( 或 8 、 9) (4) 因每个反应加入的金属质量和硫酸溶液体积均相等，且硫酸过量，产生热量相等，所以溶液温度变化值相近 【点拨】　 比较反应速率的大小，首先看反应物本身，即决定化学反应速率大小的根本因素，然后再看外部条件，如温度、浓度、催化剂、反应物状态等，在这几种因素中，对反应速率影响最大的是催化剂，其次是温度。 ● 资料备选 请你设计实验探究：化学反应速率与哪些因素有关？这些因素对化学反应速率会产生怎样的影响？ 【解析 】 　 比较外界条件对速率的影响，要从影响速率的因素进行设计。 首先是内因，即反应物本身的性质，要清楚反应物的活泼性与反应速率的关系，设计时使用活动性不同的金属与同浓度的酸反应。 其次是外界条件，即浓度、温度、固体的接触面积等。 在设计实验时要注意其他条件相同，而改变其中一个条件进行实验。这样得出的结论才能说明问题。 注意设计实验时，现象要明显，操作要简单。 【答案 】 　实验步骤一：取三支试管，分别加入表面积大致相同的铜片、镁条和铁片，从 0.5 mol · L － 1 盐酸的试剂瓶中各取适量，加入三支试管中，观察到铜片上无气体产生，而镁条上产生气泡的速率比铁片上剧烈。 实验步骤二：取两支试管，分别加入表面积大致相同的两块镁条，然后，分别取 0.5 mol · L － 1 盐酸和 3 mol · L － 1 盐酸适量，加入上述两支试管中，观察到 3 mol · L － 1 盐酸和镁反应，镁条上产生气泡剧烈。 实验步骤三：取两支试管，分别加入表面积大致相同的两块镁条，然后，分别取 0.5 mol · L － 1 盐酸适量，加入上述两支试管中，对一支试管加热，观察到加热的试管中镁条上产生气泡剧烈。 实验步骤四：取两支试管，分别加入块状碳酸钙和碳酸钙粉末，然后，分别取 0.5 mol · L － 1 盐酸适量，加入上述两支试管中，观察到粉末产生气泡剧烈。