(新高考)高考化学一轮复习讲义第7章第40讲化学反应速率(含解析)

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复习目标 1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法。2.了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用。3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响，能用相关理论解释其一般规律。4.了解化学反应速率的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
考点一 化学反应速率的概念及计算
1．化学反应速率
2．化学反应中各物质浓度的计算模式——“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)根据已知条件列方程式计算。
例如：反应 mA ＋ nB===pC
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。
3．比较化学反应速率大小的常用方法
(1)先换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值的大小。
(2)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(g)＋bB(g)===cC(g)＋dD(g)，比较eq \f(vA,a)与eq \f(vB,b)，若eq \f(vA,a)>eq \f(vB,b)，则不同情况下，用A表示的反应速率比用B表示的大。
(3)应用举例
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。
1．由v＝eq \f(Δc,Δt)计算平均速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值( )
2．单位时间内反应物浓度的变化量表示正反应速率，生成物浓度的变化量表示逆反应速率( )
3．对于任何化学反应来说，都必须用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示化学反应速率( )
4．化学反应速率为0.8 ml·L－1·s－1是指1 s时某物质的浓度为0.8 ml·L－1( )
5．同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，数值越大，表示化学反应速率越快( )
答案 1.× 2.× 3.× 4.× 5.×
一、化学反应速率的计算
1．(2021·浙江6月选考，20改编)一定温度下，在N2O5的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应：2N2O54NO2＋O2。在不同时刻测量放出的O2体积，换算成N2O5浓度如下表：
(1)计算600～1 200 s，生成NO2的平均速率。
(2)计算反应2 220 s时，放出标准状况下的O2体积。
(3)分析上表的变化规律，推测表中x值。
答案 (1)600～1 200 s内平均速率v(N2O5)＝eq \f(0.96－0.66 ml·L－1,600 s)＝5.0×10－4 ml·L－1·s－1，则生成NO2的平均速率
v(NO2)＝2v(N2O5)＝2×5.0×10－4 ml·L－1·s－1＝1.0×10－3 ml·L－1·s－1。
(2)0～2 220 s内N2O5的浓度变化为1.40 ml·L－1－0.35 ml·L－1＝1.05 ml·L－1，
Δn(N2O5)＝1.05 ml·L－1×0.1 L＝0.105 ml，
由反应方程式计量数关系得：
Δn(O2)＝eq \f(1,2)Δn(N2O5)＝0.052 5 ml，
则标准状况下的V(O2)＝0.052 5 ml×22.4 L·ml－1＝1.176 L。
(3)3 930
解析 (3)分析表中数据可知，该反应经过1 110 s(600～1 710,1 710～2 820)后N2O5的浓度会变为原来的eq \f(1,2)，因此，N2O5的浓度由0.24 ml·L－1变为0.12 ml·L－1时，可以推测上表中的x为2 820＋1 110＝3 930。
2.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2～6 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 解法一 2～6 min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,6－2 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,6－2 min)＝1.8×10－3 ml·min－1。
3．工业制硫酸的过程中，SO2(g)转化为SO3(g)是关键的一步，550 ℃时，在1 L的恒温容器中，反应过程中部分数据见下表：
若在起始时总压为p0 kPa，反应速率若用单位时间内分压的变化表示，气态物质分压＝总压×气态物质的物质的量分数，则10 min内SO2(g)的反应速率v(SO2)＝__________ kPa·min－1。
答案 eq \f(p0,30)
解析 列出“三段式”
2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)
初始/ml 4 2 0
转化/ml 2 1 2
10 min时/ml 2 1 2
气体总压之比等于气体物质的量之比，所以10 min时体系总压p10 min满足eq \f(p0 kPa,p10 min)＝eq \f(6 ml,5 ml)，即p10 min＝eq \f(5,6)p0 kPa，p初始(SO2)＝eq \f(2,3)p0 kPa，p10 min(SO2)＝eq \f(5,6)p0 kPa×eq \f(2,5)＝eq \f(1,3)p0 kPa，故v(SO2)＝eq \f(\f(2,3)p0 kPa－\f(1,3)p0 kPa,10 min)＝eq \f(1,30)p0 kPa·min－1。
二、速率常数的应用
4．工业上利用CH4(混有CO和H2)与水蒸气在一定条件下制取H2，原理为CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)，该反应的逆反应速率表达式为v逆＝k·c(CO)·c3(H2)，k为速率常数，在某温度下测得实验数据如表所示：
由上述数据可得该温度下，c2＝_____，该反应的逆反应速率常数k＝_____ L3·ml－3·min－1。
答案 0.2 1.0×104
解析 根据v逆＝k·c(CO)·c3(H2)，由表中数据可得：(c1 ml·L－1)3＝eq \f(8.0 ml·L－1·min－1,0.1 ml·L－1×k)，c2 ml·
L－1＝eq \f(6.75 ml·L－1·min－1,0.15 ml·L－13×k)，所以有k×eq \f(8.0 ml·L－1·min－1,0.1 ml·L－1×k)×eq \f(6.75 ml·L－1·min－1,0.15 ml·L－13×k)＝16.0 ml·L－1
·min－1，解得k＝1.0×104 L3·ml－3·min－1，带入c2的等式可得c2＝0.2。
5．300 ℃时，2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g)的正反应速率表达式为v正＝k·cn(ClNO)，测得速率和浓度的关系如下表：
n＝________；k＝________________。
答案 2 4.0×10－8 L·ml－1·s－1
解析 根据表格①②中的数据，代入速率表达式然后做比：eq \f(3.60×10－9,1.44×10－8)＝eq \f(k×0.3n,k×0.6n)，解得n＝2，k＝4×10－8 L·ml－1·s－1。
1．速率常数的含义
速率常数(k)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1 ml·L－1时的反应速率。在相同浓度的条件下，可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。
化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比，而速率常数是其比例常数，在恒温条件下，速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此，可以应用速率方程求出该温度下任意浓度时的反应速率。
2．速率方程
一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比。
对于反应：aA＋bB===gG＋hH
则v＝k·ca(A)·cb(B)(其中k为速率常数)。
如：①SO2Cl2SO2＋Cl2
v＝k1·c(SO2Cl2)
②2NO22NO＋O2 v＝k2·c2(NO2)
③2H2＋2NON2＋2H2O
v＝k3·c2(H2)·c2(NO)
3．速率常数的影响因素
温度对化学反应速率的影响是显著的，速率常数是温度的函数。同一反应，温度不同，速率常数将有不同的值，但浓度不影响速率常数。
考点二 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
3．理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子、活化能、有效碰撞
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子(必须具有足够的能量)。
②活化能：如图
图中：E1表示反应的活化能，使用催化剂时的活化能为E3，反应热为E1－E2(注：E2表示活化分子变成生成物分子放出的能量)。
③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
(2)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
4．稀有气体对反应速率的影响
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．催化剂参与化学反应，改变了活化能，但反应前后的性质保持不变( )
2．升温时吸热反应速率增大，放热反应速率减小( )
3．对于反应：A＋BC，改变容器容积，化学反应速率一定发生变化( )
4．碳酸钙与盐酸反应的过程中，再增加CaCO3固体，可以加快反应速率( )
5．增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分数，所以反应速率增大( )
6．100 mL 2 ml·L－1盐酸与锌片反应，加入适量的氯化钠溶液，反应速率不变( )
答案 1.× 2.× 3.× 4.× 5.× 6.×
影响化学反应速率的因素
1．某温度下，在容积一定的密闭容器中进行如下反应2X(g)＋Y(g)Z(g)＋W(s) ΔH>0。下列叙述正确的是( )
A．向容器中充入氩气，反应速率不变
B．加入少量W，逆反应速率增大
C．升高温度，正反应速率增大，逆反应速率减小
D．将容器的容积压缩，可增大单位体积内活化分子的百分数，有效碰撞次数增大
答案 A
解析 向恒容容器中充入氩气，各反应组分的浓度不变，反应速率不变，A项正确；W为固态，加入少量W，反应速率不变，B项错误；升高温度，正、逆反应速率均增大，C项错误；将容器的容积压缩，可增大单位体积内活化分子数和有效碰撞次数，但活化分子百分数不变，D项错误。
2．一定温度下，反应N2(g)＋O2(g)2NO(g)在密闭容器中进行，回答下列措施对化学反应速率的影响(填“增大”“减小”或“不变”)。
(1)缩小体积使压强增大：__________，原因是________________________________________。
(2)恒容充入N2：__________。
(3)恒容充入He：__________，原因是_______________________________________________。
(4)恒压充入He：__________。
答案 (1)增大 单位体积内，活化分子数目增加，有效碰撞的次数增多 (2)增大 (3)不变 单位体积内活化分子数不变 (4)减小
3．(2022·潍坊模拟)“接触法制硫酸”的主要反应是2SO2＋O2eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))2SO3，在催化剂表面的反应历程如下：
下列说法正确的是( )
A．使用催化剂只能加快正反应速率
B．反应②的活化能比反应①大
C．该反应的催化剂是V2O4
D．过程中既有V—O的断裂，又有V—O的形成
答案 D
解析 催化剂能同等幅度地改变正、逆反应速率，加快正反应速率的同时也加快逆反应速率，故A错误；一般情况下，反应的活化能越小，反应速率越快，故反应②的活化能比反应①的小，故B错误；催化剂是反应前后质量和化学性质都没有发生变化的物质，从反应历程图中可知，该反应的催化剂为V2O5，故C错误；历程中反应①有V—O的断裂，反应②有V—O的形成，故D正确。
1．(2021·辽宁，12)某温度下，降冰片烯在钛杂环丁烷催化下聚合，反应物浓度与催化剂浓度及时间关系如图。已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，下列说法错误的是( )
A．其他条件相同时，催化剂浓度越大，反应速率越大
B．其他条件相同时，降冰片烯浓度越大，反应速率越大
C．条件①，反应速率为0.012 ml·L－1·min－1
D．条件②，降冰片烯起始浓度为3.0 ml·L－1时，半衰期为62.5 min
答案 B
解析 由图中曲线①②可知，其他条件相同时，催化剂浓度越大，反应所需要的时间越短，故反应速率越大，A项正确；由图中曲线①③可知，其他条件相同时，降冰片烯的浓度①是③的两倍，所用时间①也是③的两倍，反应速率相等，故说明反应速率与降冰片烯浓度无关，B项错误；条件①，反应速率为v＝eq \f(Δc,Δt)＝eq \f(3.0 ml·L－1－0 ml·L－1,250 min)＝0.012 ml·L－1·min－1，C项正确；反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，条件②，降冰片烯起始浓度为3.0 ml·L－1时，半衰期为125 min×eq \f(1,2)＝62.5 min，D项正确。
2．(2021·河北，13)室温下，某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等，同时发生以下两个反应：①M＋N===X＋Y；②M＋N===X＋Z，反应①的速率可表示为v1＝k1c2(M)，反应②的速率可表示为v2＝k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图，下列说法错误的是( )
A．0～30 min时间段内，Y的平均反应速率为6.67×10－3 ml·L－1·min－1
B．反应开始后，体系中Y和Z的浓度之比保持不变
C．如果反应能进行到底，反应结束时62.5%的M转化为Z
D．反应①的活化能比反应②的活化能大
答案 A
解析 由图中数据可知，30 min时，M、Z的浓度分别为0.300 ml·L－1和0.125 ml·L－1，则M的变化量为0.500 ml·L－1－0.300 ml·L－1＝0.200 ml·L－1，其中转化为Y的变化量为
0.200 ml·L－1－0.125 ml·L－1＝0.075 ml·L－1。因此，0～30 min时间段内，Y的平均反应速率为 eq \f(0.075 ml·L－1,30 min)＝0.002 5 ml·L－1·min－1，A说法不正确；由题中信息可知，反应①和反应②的速率之比为eq \f(k1,k2)，Y和Z分别为反应①和反应②的产物，且两者与M的化学计量数相同(化学计量数均为1)，因此反应开始后，体系中Y和Z的浓度之比等于 eq \f(k1,k2)，由于k1、k2为速率常数，故该比值保持不变，B说法正确； 结合A、B的分析可知，此反应开始后，在相同的时间内体系中Y和Z的浓度之比等于eq \f(k1,k2)＝eq \f(0.075 ml·L－1,0.125 ml·L－1)＝eq \f(3,5)，因此，如果反应能进行到底，反应结束时有eq \f(5,8)的M转化为Z，即62.5%的M转化为Z，C说法正确；由以上分析可知，在相同的时间内生成Z较多、生成Y较少，因此，反应①的化学反应速率较小，在同一体系中，活化能较小的化学反应速率较快，故反应①的活化能比反应②的活化能大，D说法正确。
3．[2020·全国卷Ⅱ，28(2)]高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4eq \(――→,\s\up7(高温))C2H6＋H2。反应在初期阶段的速率方程为r＝k× SKIPIF 1 < 0 ，其中k为反应速率常数。
①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2＝________ r1。
②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是________。
A．增加甲烷浓度，r增大
B．增加H2浓度，r增大
C．乙烷的生成速率逐渐增大
D．降低反应温度，k减小
答案 ①(1－α) ②AD
解析 ①甲烷的转化率为α时， SKIPIF 1 < 0 则 SKIPIF 1 < 0 即r2＝(1－α)r1。②A对，由速率方程知，甲烷的浓度越大，反应越快；B错，H2的浓度大小不影响反应速率；C错，反应过程中 SKIPIF 1 < 0 逐渐减小，故C2H6的生成速率逐渐减小；D对，降低反应温度，反应速率减小，故k减小。
课时精练
1．下列说法正确的是( )
A．活化分子的每一次碰撞都能发生化学反应
B．能发生有效碰撞的分子一定是活化分子
C．反应物用量增加后，有效碰撞次数增多，反应速率增大
D．催化剂能提高活化分子的活化能，从而加快反应速率
答案 B
解析 活化分子只有发生有效碰撞时才能发生化学反应，A项错误；增加固体或纯液体的量，反应速率不变，C项错误；催化剂能降低反应的活化能，使原来不是活化分子的分子变成活化分子，提高了活化分子的百分数，加快了化学反应速率，D项错误。
2．反应3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)在一容积可变的密闭容器中进行，下列条件的改变对其化学反应速率几乎无影响的是( )
A．保持容积不变，增加H2O(g)的物质的量
B．将容器的容积缩小一半
C．保持容积不变，充入Ar使压强增大
D．保持压强不变，充入Ar使容积增大
答案 C
解析 容积不变，增加H2O(g)的物质的量，反应物浓度增大，化学反应速率加快，A不符合题意；将容器的容积缩小一半，反应物的浓度增大，化学反应速率加快，B不符合题意；保持容积不变，充入Ar，Ar不参与反应，反应体系中各物质的浓度不变，化学反应速率不变，C符合题意；保持压强不变，充入Ar，容器的容积变大，反应物的浓度减小，化学反应速率减小，D不符合题意。
3．如图安装好实验装置(装置气密性良好)，在锥形瓶内盛有6.5 g锌粒(Zn的相对原子质量为65)，通过分液漏斗加入40 mL 2.5 ml·L－1的稀硫酸，将产生的H2收集在注射器中，10 s时恰好收集到标准状况下的H2 44.8 mL。下列说法不正确的是( )
A．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用H＋表示10 s内该反应的速率为0.01 ml·L－1·s－1
B．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用Zn2＋表示10 s内该反应的速率为0.01 ml·L－1·s－1
C．用锌粒表示10 s内该反应的速率为0.013 g·s－1
D．用H2表示10 s内该反应的速率为0.000 2 ml·s－1
答案 B
解析 Zn＋ 2H＋=== Zn2＋＋ H2↑
65 g 2 ml 1 ml 22.4 L
0.13 g 0.004 ml 0.002 ml 0.044 8 L
v(H＋)＝eq \f(\f(0.004 ml,0.04 L),10 s)＝0.01 ml·L－1·s－1，A正确；
v(Zn2＋)＝eq \f(1,2)v(H＋)＝0.005 ml·L－1·s－1，B错误；用锌粒表示10 s内该反应的速率为eq \f(0.13 g,10 s)＝
0.013 g·s－1，C正确；用H2表示10 s内该反应的速率为eq \f(\f(0.044 8 L,22.4 L·ml－1),10 s)＝0.000 2 ml·s－1，D正确。
4．一定温度下，向容积为2 L的密闭容器中通入两种气体发生化学反应，反应中各物质的物质的量变化如图所示，对该反应的推断合理的是( )
A．该反应的化学方程式为3B＋4D6A＋2C
B．反应进行到1 s时，v(A)＝v(C)
C．反应进行到6 s时，B的平均反应速率为0.05 ml·L－1·s－1
D．反应进行到6 s时，各物质的反应速率相等
答案 C
解析 由图像可知，B、C的物质的量减小，是反应物，A、D的物质的量增大，是生成物，前6 s内，Δn(B)∶Δn(C)∶Δn(A)∶Δn(D)＝(1.0－0.4)∶(1.0－0.2)∶(1.2－0)∶(0.4－0)＝3∶4∶6∶2，故反应的化学方程式为3B＋4C6A＋2D，A项错误；v(A)∶v(C)＝3∶2，B项错误；反应进行到6 s时，v(B)＝eq \f(\f(1.0－0.4ml,2 L),6 s)＝0.05 ml·L－1·s－1，C项正确；反应进行到6 s时，反应达到平衡状态，但各物质的反应速率并不相等，D错误。
5．O3在水中易分解，一定条件下，相同浓度的O3的浓度减小一半所需的时间(t)如下表。
根据表中的递变规律，推测O3分别在以下条件下反应：①40 ℃、pH＝3.0；②10 ℃、pH＝5.0；③30 ℃、pH＝7.0，分解速率依次增大的顺序为( )
A．①②③ B．③②①
C．②①③ D．③①②
答案 C
解析 分析题表中数据，温度一定时，pH越大，c(O3)减小一半所需时间越短；pH一定时，温度越高，c(O3)减小一半所需时间越短。c(O3)减小一半，在①40 ℃、pH＝3.0时，所需时间在31～158 min之间；在②10 ℃、pH＝5.0时，所需时间大于169 min；在③30 ℃、pH＝7.0时，所需时间小于15 min，则分解速率依次增大的顺序为②