化学选择性必修1第2章 化学反应的方向、 限度与速率第3节 化学反应的速率第2课时学案

第2课时　影响化学反应速率的因素

学习目标

通过实验探究,掌握温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。

学习任务1　浓度、压强对化学反应速率的影响

1.化学反应速率理论

(1)碰撞理论:基元反应碰撞理论认为,化学反应之所以能发生,是反应物分子之间互相碰撞的结果,但只有能量超过某一限度Ec(相当于活化能)并满足一定方向要求的活化分子之间的碰撞,才是真正发生反应的有效碰撞。

(2)过渡态理论:基元反应过渡态理论认为,基元反应在从反应物到产物的变化过程中要经历一个中间状态,这个状态称为过渡态。

AB+C[A…B…C]A+BC

　反应物　　　过渡态　　　反应产物

过渡态是反应过程中具有高能量的一种结构状态,过渡态能量与反应物的平均能量之差Ea称为基元反应的活化能。

微点拨:过渡态就是一种旧键快要断裂但还没有彻底断裂,新键将要形成但还没有彻底形成的特殊状态。活化能在反应历程图中也叫“能垒”。

2.浓度对化学反应速率的影响

(1)影响规律:其他条件不变时,增大反应物的浓度,反应速率增大;减小反应物的浓度,反应速率减小。

(2)碰撞理论解释:反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞几率增加→反应速率加快;反之,反应速率减慢。

3.压强对化学反应速率的影响

(1)影响规律:对于有气体参加的化学反应,在相同温度下,增大压强(减小容器容积),反应速率增大;减小压强(增大容器容积),反应速率减小。

(2)碰撞理论解释:增大压强→气体体积缩小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞几率增加→反应速率加快;反之,反应速率减慢。即压强对化学反应速率的影响,可转化成浓度对化学反应速率的影响。

微点拨:浓度、压强改变均不能改变分子的能量,所以不会影响活化分子百分比,但是可以影响“单位体积”内活化分子数目,因此可以影响“有效碰撞”几率进而影响化学反应速率。

双氧水应用非常广泛。纺织、造纸工业可以用作纤维的漂白剂;有机工业可以作氧化剂;环境保护可处理各种有害废水。为探究浓度对H2O2分解反应速率的影响,同学们设计了如下两个实验,MnO2放在气球中,实验时将MnO2同时倒入试管中,在反应结束前的某一时间同时观察,现象如图所示。

探究　浓度对化学反应速率的影响

问题1:上述实验②应该加入多少毫升10%H2O2溶液?加几克 MnO2?

提示:10 mL 10% H2O2溶液,1 g MnO2。

问题2:实验①、②现象是什么?据此得出什么结论?

提示:②气球膨胀比①气球快。结论是c(H2O2)越大,H2O2分解速率越快。

问题3:实验证明H2O2用MnO2催化分解的反应速率方程为v=k·c(H2O2),常温下此反应速率常数k=0.06 min-1,以H2O2浓度为横坐标,反应速率为纵坐标,则此方程数学图像是什么形状?

提示:一条直线,此直线的斜率就是速率常数k。

问题4:一个反应速率方程与化学方程式系数有没有关系?速率常数与哪些因素有关?

提示:没有关系,速率方程完全是由实验测定出来的。速率常数与温度、催化剂、固体表面性质等因素有关,但与浓度无关。

问题5:气体浓度与压强有什么关系?溶液或固体压强与浓度有无关系?

提示:气体浓度与压强成正比,所以气体压强改变可以从浓度角度分析对反应速率的影响。溶液或固体浓度不受压强影响,固体、液体极难压缩,因此无气体参与的反应,改变压强,反应速率不受影响。

压强对化学反应速率的影响

对于有气体参加的反应,改变压强,对化学反应速率产生影响的根本原因是引起了浓度的改变。所以,在讨论压强对化学反应速率的影响时,应分析浓度如何变化。

对于有气体参加的反应体系,有以下几种情况:

(1)恒温时:增大压强,体积缩小,浓度增大,化学反应速率增大。

(2)恒容时:①充入气体反应物,浓度增大,总压增大,化学反应速率增大;②充入“惰性气体”(与反应中各物质无关的气体),总压增大,但反应中各气体的浓度不变(分压不变),则化学反应速率不变。

(3)恒压时:充入“惰性气体”,体积增大,各物质的浓度减小,化学反应速率减小。

1.(2021·浙江温州期中)一定温度下,反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)在容积固定的密闭容器中进行,下列措施不会改变化学反应速率的是(　D　)

A.充入CO B.充入CO2

C.投入CaO D.充入He

解析:充入CO,增大反应物的浓度,反应速率增大,故A不符合题意;充入CO2,增大产物的浓度,反应速率增大,故B不符合题意;投入CaO,可以吸收水蒸气、二氧化碳,反应速率改变,故C不符合题意;容积固定的密闭容器充入He,反应物、产物浓度均不变,反应速率不变,故D符合题意。

2.反应3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行,下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是(　D　)

A.将铁片变成铁粉

B.将容器的容积缩小一半

C.压强不变,充入N2使容器容积增大

D.保持容积不变,充入N2使容器压强增大

解析:将铁片变成铁粉,可以增大反应物的接触面积,反应速率加快,A不符合题意;将容器的容积缩小一半,H2O(g)和H2(g)的浓度增大,反应速率加快,B不符合题意;压强不变,充入N2使容器容积增大,H2O(g)和H2(g)的浓度减小,反应速率减慢,C不符合题意;保持容积不变,充入N2使容器压强增大,H2O(g)和H2(g)的浓度不变,反应速率几乎不变,D符合题意。

纯固体、纯液体浓度为常数。纯气体浓度与压强有关系,压强越大,浓度越大。混合气体可以看作“气态溶液”。充惰性气体时要考虑容器恒容、恒压条件对气体浓度的影响,从浓度角度来分析。

学习任务2　温度、催化剂对化学反应速率的影响

1.温度对化学反应速率的影响

(1)影响规律:其他条件相同时,升高温度,化学反应速率加快;降低温度,化学反应速率减慢。

(2)碰撞理论解释:升高温度→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞几率增加→反应速率加快;反之,反应速率减慢。

2.催化剂对化学反应速率的影响

(1)影响规律:当其他条件不变时,使用催化剂,化学反应速率加快。

(2)碰撞理论解释:使用催化剂→改变了反应的路径,反应的活化能降低→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞几率增加→反应速率加快。

微点拨:温度升高导致分子能量上升,因此可以提高活化分子百分比。催化剂通过大幅度降低活化能,也可以大幅度提高活化分子百分比。因此温度、催化剂均可以较大幅度影响化学反应速率。

草酸是一种有机物,化学式为H2C2O4,是生物体的一种代谢产物,二元弱酸,广泛分布于植物、动物和真菌体中。下面以草酸与KMnO4反应实验来探究温度、催化剂对反应速率的影响。在4 mL 0.005 mol·L-1酸性KMnO4溶液中加入0.4 mL 10 mol·L-1的草酸溶液,将盛有混合液的试管放入50 ℃水浴里加热2 min,另做一组室温下的对比实验。结果发现50 ℃褪色时间为16 s,室温(25 ℃)褪色时间为129 s。

探究　温度、催化剂对化学反应速率的影响

问题1:实验褪色原因是什么?

提示:褪色是因为Mn参加反应后其浓度降低。

问题2:根据上述实验褪色快慢可以得出什么结论?

提示:温度越高,反应越快。

问题3:深入研究发现,KMnO4反应产生的Mn2+对此反应起到催化作用。如何通过实验证明?

提示:做两个对比实验,两个实验的草酸溶液、酸性KMnO4溶液浓度均相同。一个实验加入1滴 0.1 mol·L-1的MnSO4溶液,另一个实验加入1滴0.1 mol·L-1的Na2SO4溶液,发现前者褪色速度快于后者。

问题4:催化剂为何能大幅度提高反应速率?

提示:催化剂通过参与反应改变反应历程,降低反应的活化能,因而加快了反应速率。

催化剂对活化能的影响

图中E1是未加催化剂时的正反应活化能,E2是未加催化剂时逆反应活化能,E3是加了催化剂之后的正反应活化能,E4是加了催化剂之后的逆反应活化能。从图中看出ΔH=E1-E2=E3-E4,因此催化剂对ΔH没有影响。另外可以看出催化剂“同等程度”降低正、逆反应活化能,所以也会“同等程度”提高正、逆反应速率,所以催化剂不会破坏平衡,即不会引起平衡移动。

题点一　温度对化学反应速率的影响

1.(2021·河南郑州期中)某探究性学习小组用相同质量的锌和相同浓度的足量的稀盐酸反应得到实验数据如下表所示。

下列说法错误的是(　D　)

A.该实验的目的是探究反应物接触面积、温度对反应速率的影响

B.实验Ⅰ和Ⅱ表明温度越高,反应速率越快

C.实验Ⅱ和Ⅲ表明反应物接触面积对反应速率的影响很大

D.实验Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ最终产生氢气的质量不相同

解析:由表格中的数据可知,锌的状态不同、温度不同,则实验目的是探究反应物接触面积、温度对反应速率的影响,A项正确;实验Ⅰ和Ⅱ中温度不同,其他条件相同,温度高的反应速率快,B项正确;实验Ⅱ和Ⅲ中锌的状态不同,表明反应物接触面积对反应速率的影响很大,C项正确;三个实验均是用相同质量的锌和足量的稀盐酸反应产生氢气,产生氢气的量由Zn的量决定,因此实验Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ最终产生氢气的质量相同,D项错误。

2.(2021·安徽宿州期中)反应A(g)+3B(g)2C(g)　ΔH>0达平衡后,若降低温度,下列叙述中正确的是(　D　)

A.正反应速率增大,逆反应速率减小,平衡向正反应方向移动

B.正反应速率增大,逆反应速率减小,平衡向逆反应方向移动

C.正反应速率和逆反应速率都变小,平衡向正反应方向移动

D.正反应速率和逆反应速率都变小,平衡向逆反应方向移动

解析:降低温度,活化分子百分数减小,正、逆反应速率都减小,又因该反应正反应为吸热反应,则降低温度,平衡向逆反应方向移动,故D正确。

题点二　催化剂对化学反应速率的影响

3.(2021·湖南长沙期中)一氧化碳与氢气的反应历程如图,其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。

下列说法不正确的是(　B　)

A.一氧化碳与氢气反应生成甲醇是放热反应

B.该反应历程中控速步骤的能垒为0.7 eV

C.虚线框内发生反应的化学方程式为H3CO*+H2CH3OH*

D.使用更高效的催化剂可以提高甲醇的生产效率

解析:根据图示,生成物的能量比反应物的能量低,反应放热,A正确;据图可知该历程中最大能垒为-0.1 eV-(-0.9 eV)=0.8 eV,B不正确;分析整个反应历程可知虚线框内发生反应的化学方程式为H3CO*+H2CH3OH*,C正确;使用更高效的催化剂,可加快反应速率,提高生产效率,D正确。

4.(2021·江苏连云港期中)450 ℃、V2O5催化SO2和O2反应时,反应机理如下:

反应①:V2O5(s)+SO2(g)V2O4(s)+SO3(g)ΔH1=+24 kJ·mol-1(快反应)

反应②:2V2O4(s)+O2(g)2V2O5(s)ΔH2=-246 kJ·mol-1(慢反应)

下列说法不正确的是(　D　)

A.ΔH=-198 kJ·mol-1

B.反应②的ΔS<0

C.通入过量空气,可提高SO2的平衡转化率

D.在V2O5催化下,SO2被O2氧化生成SO3的能量变化可用如图表示

解析:由盖斯定律可知,①×2+②得反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),则ΔH=2ΔH1+ΔH2=2×(+24 kJ·mol-1)+(-246 kJ·mol-1)=-198 kJ·mol-1,故A正确;由化学方程式可知,反应②是一个熵减的反应,ΔS<0,故B正确;二氧化硫的催化氧化反应是可逆反应,通入过量空气,氧气浓度增大,平衡向正反应方向移动,二氧化硫的转化率增大,故C正确;反应的活化能越大,反应速率越慢,由题意可知,反应①是快反应,反应②是慢反应,则反应②的活化能E2应大于反应①的活化能E1,故D错误。

快速看懂反应历程图像

(1)过渡态与中间体的区别:在历程图中标有TS的就是“过渡态”,标有IM的就是“中间体”。如果没有标注,那么除了反应物、生成物之外所有的“峰顶”就是过渡态,所有的“谷底”就是中间体。

(2)最大或最小能垒确定:在历程图中从左到右所有的上坡都是能垒(有的叫活化能),最高的坡就是最大能垒,最低的坡就是最小能垒。

【知识整合】

影响化学反应速率的因素

1.内因:反应物本身的性质是主要因素。

2.外因

【易错提醒】

1.误认为催化剂不参加化学反应,其实,催化剂先作为反应物参加反应,后作为生成物,反应前后质量和化学性质不发生改变。

2.误认为纯气体浓度为常数,没有浓度变化,其实,纯固体、纯液体、纯气体均有浓度,只是由于固体、液体很难压缩,所以其浓度视为常数,不会改变,而气体压缩后物质的量不变但体积减小,所以其浓度会增大。

3.误认为催化剂改变了反应速率,所以会造成平衡移动,其实,催化剂是“同等程度”改变正、逆反应速率,不会造成v正≠v逆,也就是不会破坏平衡,因此不会引起平衡移动。

4.误认为压强不变,速率不变。其实不然,恒温、恒压条件下,充入惰性气体,总压不变,但会导致参与平衡的各组分气体分压减小,或者说各组分气体浓度降低,因而造成速率降低。