第31讲 化学反应速率及其影响因素（解析版） 高考化学【一轮 夯实基础】复习精讲精练

这是一份第31讲 化学反应速率及其影响因素（解析版） 高考化学【一轮 夯实基础】复习精讲精练，共19页。
【复习目标】
1．能进行化学反应速率的简单计算。
2．能通过实验探究或用一定的理论模型分析说明外界条件改变对化学反应速率的影响。
3．能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的简单实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。
【知识精讲】
考点一 化学反应速率
1．含义：化学反应速率是用来衡量化学反应快慢的物理量。
2．常用表示方法及计算

如在密闭容器中，合成氨的反应N2＋3H22NH3，开始时c(N2)＝8 ml·L－1，2 min后c(N2)＝4 ml·L－1，则用N2表示的反应速率为2ml·L－1·min－1。
3．与化学计量数的关系
同一反应在同一时间内，用不同物质来表示的反应速率可能不同，但反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的化学计量数之比。
对于已知反应mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)，其化学反应速率可用不同的反应物或生成物来表示，当单位相同时，化学反应速率的数值之比等于化学计量数之比，即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q。
4．化学反应中各物质浓度、反应速率的计算模式——“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。
例如：反应 mA ＋ nBpC
t0 s/(ml·L－1) a b 0
转化/(ml·L－1) x eq \f(nx,m) eq \f(px,m)
t1 s/(ml·L－1) a－x b－eq \f(nx,m) eq \f(px,m)
则v(A)＝eq \f(x,t1－t0) ml·L－1·s－1，
v(B)＝eq \f(nx,m（t1－t0）) ml·L－1·s－1，
v(C)＝eq \f(px,m（t1－t0）) ml·L－1·s－1。
5．化学反应速率大小的比较方法
由于同一化学反应的反应速率用不同物质表示时数值可能不同，所以比较反应的快慢不能只看数值的大小，而要进行一定的转化。
(1)看单位是否统一，若不统一，换算成相同的单位。
(2)单位统一后，换算成同一物质表示的速率，再比较数值的大小。
(3)也可以直接比较化学反应速率与化学计量数的比值。
即对于一般反应aA＋bB===cC＋dD，比较eq \f(v（A）,a)与eq \f(v（B）,b)，若eq \f(v（A）,a)＞eq \f(v（B）,b)，则A表示的反应速率比B的大。
【例题1】将6 ml CO2和8 ml H2充入一容积为2 L的密闭容器中(温度保持不变)发生反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＜0。测得H2的物质的量随时间变化如图所示(图中字母后的数字表示对应的坐标)。该反应在8～10 min内CO2的平均反应速率是( )
A．0.5 ml·L－1·min－1B．0.1 ml·L－1·min－1
C．0 ml·L－1·min－1D．0.125 ml·L－1·min－1
【答案】C
【解析】
由图可知，在8～10 min内，H2的物质的量都是2 ml，因此v(H2)＝eq \f(2 ml－2 ml,2 L×2 min)＝0 ml·L－1·min－1，根据化学反应速率之比等于化学计量数之比，v(CO2)＝eq \f(1,3)v(H2)＝0 ml·L－1·min－1，故C项正确。
【例题2】已知反应4CO＋2NO2N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下，其中表示反应速率最快的是( )
A．v(CO)＝1.5 ml·L－1·min－1
B．v(NO2)＝0.7 ml·L－1·min－1
C．v(N2)＝0.4 ml·L－1·min－1
D．v(CO2)＝1.1 ml·L－1·min－1
【答案】C
【解析】
换算成用同一物质表示的反应速率再比较，如以N2为标准，A、B、D项分别换算为0.375 ml·L－1·min－1、0.35 ml·L－1·min－1、0.275 ml·L－1·min－1，所以反应速率最快的为C项。
【例题3】在新型RuO2催化剂作用下，使HCl转化为Cl2的反应2HCl(g)＋eq \f(1,2)O2(g)H2O(g)＋Cl2(g)具有更好的催化活性。一定条件下测得反应过程中n(Cl2)的数据如下：
计算2.0～6.0 min内以HCl的物质的量变化表示的反应速率(以ml·min－1为单位，写出计算过程)。
【答案】见解析
【解析】
解法一 2.0～6.0 min时间内，Δn(Cl2)＝5.4×10－3 ml－1.8×10－3 ml＝3.6×10－3 ml，
v(Cl2)＝eq \f(3.6×10－3 ml,4 min)＝9.0×10－4 ml·min－1
所以v(HCl)＝2v(Cl2)＝2×9.0×10－4 ml·min－1＝1.8×10－3 ml·min－1。
解法二 HCl转化的物质的量为n，则
2HCl(g)＋eq \f(1,2)O2(g)H2O(g)＋Cl2(g)
2 1
n (5.4－1.8)×10－3 ml
解得n＝7.2×10－3 ml，
所以v(HCl)＝eq \f(7.2×10－3 ml,（6.0－2.0） min)＝1.8×10－3 ml·min－1。
【例题4】把0.6 ml 气体X和0.4 ml气体Y混合于2.0 L的密闭容器中，发生如下反应：3X(g)＋Y(g)nZ(g)＋2W(g)，测得5 min末生成0.2 ml W，又知以Z表示的平均反应速率为0.01 ml·L－1·min－1，则n值是( )
A．1 B．2
C．3 D．4
【答案】A
【解析】
v(W)＝eq \f(0.2 ml,2.0 L×5 min)＝0.02 ml·L－1·min－1，又因v(Z)＝0.01 ml·L－1·min－1，即 v(W)∶v(Z)＝0.02∶0.01＝2∶1，故n＝1。
【例题5】已知反应4CO＋2NO2eq \(=====,\s\up7(催化剂))N2＋4CO2在不同条件下的化学反应速率如下：
①v(CO)＝1.5 ml·L－1·min－1
②v(NO2)＝0.7 ml·L－1·min－1
③v(N2)＝0.4 ml·L－1·min－1
④v(CO2)＝1.1 ml·L－1·min－1
⑤v(NO2)＝0.01 ml·L－1·s－1
请比较上述5种情况反应的快慢：________________(由大到小的顺序)。
【答案】③>①>②>⑤>④
【解析】
②v(CO)＝2v(NO2)＝1.4 ml·L－1·min－1；③v(CO)＝4v(N2)＝1.6 ml·L－1·min－1；④v(CO)＝v(CO2)＝1.1 ml·L－1·min－1；⑤v(CO)＝2v(NO2)＝0.02 ml·L－1·s－1＝1.2 ml·L－1·min－1，故反应的快慢为③>①>②>⑤>④。
考点二 化学反应速率的影响因素
1．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。如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为Mg>Al。
(2)外因(只改变一个条件，其他条件不变)

2．用图像表示浓度、温度、压强对化学反应速率的影响
3．基元反应和有效碰撞理论
(1)基元反应：大多数化学反应往往经过多个反应步骤才能实现，每一步反应都被称为基元反应；先后进行的基元反应反映了反应历程，反应历程又称为反应机理。
(2)有效碰撞
①基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞。
②反应物分子的每一次碰撞并不是都能发生反应，能够发生化学反应的碰撞叫作有效碰撞。发生有效碰撞的两个条件是反应物分子能量足够和取向合适。
(3)活化分子、活化能
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
②活化能：如图
图中：
E1为正反应的活化能，E2为活化分子变成生成物分子放出的能量；使用催化剂时的活化能为E3，反应热为E1－E2。(注：E2为逆反应的活化能)
③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
(4)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系

4．气体反应体系中充入“惰性气体”(不参与反应)时对反应速率的影响
A(g)＋B(g)C(g)，恒温恒容，充入氦气，对反应速率有何影响？恒温恒压，充入氦气，对反应速率又有何影响？
(1)恒容：充入“惰性气体”→总压增大→物质浓度不变(活化分子浓度不变)→反应速率不变。
(2)恒压：充入“惰性气体”→体积增大→物质浓度减小(活化分子浓度减小)→反应速率减小。
【例题6】一定温度下，反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)在密闭容器中进行，下列措施不会改变化学反应速率的是( )
A．缩小容积使压强增大 B．恒容，充入N2
C．恒容，充入He D．恒压，充入He
【答案】C
【解析】
A项，反应前后气体的物质的量不变，缩小容积，气体的浓度增大，反应速率增大；B项，容积不变，充入N2，使反应物N2的浓度增大，反应速率增大；C项，容积不变，充入He，虽然反应容器内压强增大，但N2、O2、NO的浓度并没有变化，因此不影响反应速率；D项，压强不变，充入He，反应容器的容积必然增大，总压强虽然没变，但N2、O2、NO的浓度减小，反应速率减小。
【例题7】下列说法正确的是( )
A．对于A(s)＋B(g)C(g)＋D(g)的反应，加入A，反应速率加快
B．2NO2N2O4(正反应放热)，升高温度，v(正)增大，v(逆)减小
C．一定温度下，反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)在密闭容器中进行，恒压条件下，充入He不改变化学反应速率
D．100 mL 2 ml·L－1稀盐酸与锌反应时，加入少量硫酸铜固体，生成氢气的速率加快
【答案】D
【解析】
A为固体，加入A对反应速率没有影响，A项错误；升高温度，正、逆反应速率都增大，B项错误；恒压条件下，充入He，容器体积增大，正、逆反应速率都减小，C项错误；锌与硫酸铜反应生成铜，可形成铜锌原电池，生成氢气的速率加快，D项正确。
【例题8】某反应由两步反应A→B→C构成，它的反应能量曲线如图所示，下列叙述正确的是( )
A．两步反应均为吸热反应
B．三种化合物中C最稳定
C．第二步反应决定了总反应的速率
D．升高温度，活化能E1、E2均减小，反应速率加快
【答案】B
【解析】
由图可知A→B的反应为吸热反应，B→C的反应为放热反应，故A错误；物质的总能量越低，越稳定，由图可知C的能量最低，则C最稳定，故B正确；多步反应的总反应速率是由最慢的一步反应决定的，E1>E2，可知第一步比第二步反应慢，则第一步反应决定了该反应的总反应速率，故C错误；升高温度，不能改变反应的活化能，但升高温度能增加体系活化分子的百分数，使反应速率加快，故D错误。
【例题9】在密闭容器中进行反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应放热)，如图是某次实验的化学反应速率随时间变化的图像，推断在t1时刻突然变化的条件可能是( )
A．催化剂失效B．减小生成物的浓度
C．降低体系温度D．增大容器的体积
【答案】C
【解析】
催化剂只能同等程度地增大或减小正、逆反应速率，A项错误；减小生成物的浓度，正反应速率瞬时不变，逆反应速率瞬时减小，B项错误；正反应放热，降低温度，正、逆反应速率都减小，平衡正向移动，C项正确；增大容器的体积，正、逆反应速率都减小，但平衡逆向移动，D项错误。
【例题10】合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，在反应过程中，正反应速率的变化如图。下列说法正确的是( )
A．t1时升高了温度B．t2时使用了催化剂
C．t3时增大了压强D．t4时降低了温度
【答案】B
【解析】
A项，t1时正反应速率增大，且大于逆反应速率，则应为增大压强，错误；B项，t2时正逆反应速率同等程度增大，为使用了催化剂，正确；C项，t3时正反应速率减小，且逆反应速率大于正反应速率，则为减小压强，错误；D项，t4时反应速率瞬间不变，然后减小，应为减小生成物浓度，错误。
【归纳总结】常见含“断点”的速率变化图像分析
考点三 反应历程(或机理)图像分析
【例题11】(2022·辽宁高三模拟)甲酸脱氢可以生成二氧化碳，我国科学家利用计算机技术，研究在催化剂表面脱氢的反应历程与能量的关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A．甲酸脱氢生成二氧化碳为吸热反应
B．历程中最大能垒(反应活化能)为44.7 kcal·ml－1
C．反应CO2(g)＋2H*===CO2(g)＋H2(g) ΔH＝＋3.3 kcal·ml－1
D．使用催化剂能够加快反应速率，降低焓变，提高平衡产率
【答案】C
【解析】
由图可知，HCOOH脱氢反应为放热反应，选项A错误；由图可知，最大能垒(反应活化能)为80.3 kcal·ml－1，选项B错误；由图可知，反应CO2(g)＋2H*===CO2(g)＋H2(g)，能量由－17.4 kcal·ml－1变为－14.1 kcal·ml－1，故ΔH＝＋3.3 kcal·ml－1，选项C正确；催化剂能够加快反应速率，但不能改变焓变和平衡产率，选项D错误。
【例题12】硝酸盐污染已成为一个日益严重的环境问题。甲酸(HCOOH)在纳米级Pd表面分解为活性H2和CO2，再经下列历程实现NOeq \\al(－,3)的催化还原，进而减少污染。已知Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)表示Fe3O4中的二价铁和三价铁。下列说法错误的是( )
A．Fe3O4参与了该循环历程
B．HCOOH分解时，碳氢键和氧氢键发生了断裂
C．H2在反应历程中生成的H＋起到调节体系pH的作用
D．在整个历程中，1 ml H2可还原1 ml NOeq \\al(－,3)
【答案】D
【解析】
Fe3O4参与了该循环历程，因为铁离子有价态的变化，故A正确； HCOOH分解时，碳氢键和氧氢键发生了断裂，而后形成了碳氧双键，故B正确；酸性条件下，NOeq \\al(－,3)比NOeq \\al(－,2)的氧化性更强，H＋起到调节体系pH的作用，故C正确；在整个历程中，总反应为H2将NOeq \\al(－,3)还原为N2，故1 ml H2可还原0.4 ml NOeq \\al(－,3)，故D错误。
【例题13】(2022·河南洛阳高三模拟)据文献报道，金红石 Ti3＋L3表面催化氮气固定机理如图所示，下列叙述错误的是( )
A．催化剂可以提高固氮速率的原因是改变该反应的ΔH
B．该催化固氮总反应为 3H2＋N2===2NH3
C．是反应中间体
D．整个催化过程中存在 N—Ti的断裂和生成
【答案】A
【解析】
催化剂可以降低反应的活化能，提高固氮速率，但不能改变该反应的ΔH，故A错误；由固定机理的示意图可知，反应物为氮气和氢气，生成物为氨气，金红石为催化剂，反应的总反应方程式为3H2＋N2===2NH3，故B正确；由固定机理的示意图可知，
是反应中间体，故C正确；由固定机理的示意图可知，c→d、d→a的过程存在 N—Ti的断裂，a→b的过程存在 N—Ti的生成，故D正确。
考点四 利用“控制变量法”探究化学反应速率的影响因素
1．探究流程
2．注意事项
(1)要选择合适的化学反应，所选择的反应不能太灵敏也不能太迟钝。
(2)反应物的浓度要适当，不能太大，而探索浓度变量时，浓度间的差别也不能太大。
(3)要有规律地设计不同的反应体系的温度，也要注意物质的相应性质，不能选择会引起反应体系发生变化的温度。
(4)对变量要进行适当的组合，组合的一般原则是“变一定多”，即保持其他变量不变，改变其中一个变量的值进行实验，测定数据，通过系列实验，找出变量对反应的影响。
【例题14】实验室利用下列方案探究影响化学反应速率的因素，有关说法错误的是( )
A．实验中要记录溶液褪色所需时间
B．实验①②探究的是浓度对化学反应速率的影响
C．实验①③探究的是温度对化学反应速率的影响
D．起始向①中加入MnSO4固体，不影响反应速率
【答案】D
【解析】
该实验原理是2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O，KMnO4被还原为MnSO4，溶液由紫红色变为无色，故实验中通过记录溶液褪色时间，判断反应速率的快慢，A正确；实验①②中温度、c(KMnO4)均相同，c(H2C2O4)不同，故实验目的是探究浓度对化学反应速率的影响，B正确；实验①③中c(KMnO4)、c(H2C2O4)均相同，温度不同，故实验目的是探究温度对化学反应速率的影响，C正确；该反应中Mn2＋起催化作用，①中加入MnSO4固体，会加快反应速率，D错误。
【例题15】碘在科研与生活中有重要应用。某兴趣小组用0.50 ml·L－1 KI、0.2%淀粉溶液、0.20 ml·L－1 K2S2O8、0.10 ml·L－1 Na2S2O3等试剂，探究反应条件对化学反应速率的影响。
已知：
S2Oeq \\al(2－,8)＋2I－===2SOeq \\al(2－,4)＋I2(慢)
I2＋2S2Oeq \\al(2－,3)===2I－＋S4Oeq \\al(2－,6)(快)
(1)向KI、Na2S2O3与淀粉的混合溶液中加入一定量的K2S2O8溶液，当溶液中的________耗尽后，溶液颜色由无色变为蓝色。为确保能观察到蓝色，S2Oeq \\al(2－,3)与S2Oeq \\al(2－,8)初始的物质的量需满足的关系为n(S2Oeq \\al(2－,3))∶n(S2Oeq \\al(2－,8))________。
(2)为探究反应物浓度对化学反应速率的影响，设计的实验方案如下表：
表中Vx＝________ mL，理由是______________________________。
(3)已知某条件下，浓度c(S2Oeq \\al(2－,8))－反应时间t的变化曲线如图所示，若保持其他条件不变，请在坐标图中，分别画出降低反应温度和加入催化剂时c(S2Oeq \\al(2－,8))－t的变化曲线示意图(进行相应的标注)。
【答案】
(1)S2Oeq \\al(2－,3)(其他合理写法也可) 1.0时，烟气中NO含量反而增大，主要原因是______________________(用化学方程式表示)。
(3)烟气脱硫、脱硝一体化技术是大气污染防治研究的热点，ClO2在酸性条件下稳定，是性能优良的脱硫脱硝试剂。
①ClO也是性能优良的脱硫脱硝试剂，ClO2与NaOH溶液反应生成NaClO3和NaClO2，反应的离子方程式为______________________。
②某研究小组用ClO2进行单独脱除SO2实验时，测得SO2的脱除率随溶液pH变化如图所示。
当3