高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡第一节 化学反应速率学案

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二章 化学反应速率与化学平衡第一节 化学反应速率学案，共14页。学案主要包含了化学反应速率，影响化学反应速率的因素，活化能等内容，欢迎下载使用。

基础课时4 化学反应速率
一、化学反应速率
1．概念：化学反应速率是定量描述化学反应进行快慢的物理量。如果反应体系的体积是恒定的，则通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示。
2．数学表达式为v＝eq \f(Δc,Δt)或v＝eq \f(Δn,V·Δt)。
3．单位常用ml·L－1·s－1或ml·L－1·min－1表示。
4．注意事项
(1)一般来说，随着反应的逐渐进行，反应物浓度会逐渐减小，化学反应速率也会逐渐减慢。因此，化学反应速率通常是指某一段时间内的平均反应速率，而不是瞬时反应速率。
(2)由于在反应中纯液体和固体的浓度是恒定不变的，因此对于有纯液体或固体参加的反应一般不用纯液体或固体来表示化学反应速率。
(3)在同一化学反应中，选用不同物质表示化学反应速率，其数值可能相同也可能不相同，但表示的意义相同。因此，表示化学反应速率时，必须指明用哪种物质作标准，在速率v的后面将该物质的化学式用括号括起来。
(4)用不同反应物表示化学反应速率时，化学反应速率之比＝物质的量浓度变化量之比＝物质的量变化量之比＝化学计量数之比。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)对于反应H2＋Cl2===2HCl，化学反应速率可表示为v＝a ml·L－1·s－1。(×)
(2)化学反应速率为一段时间内的平均速率。(√)
(3)化学反应速率可以为负值，如逆反应速率。(×)
(4)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小或任何一种生成物浓度的增加来表示。(×)
二、影响化学反应速率的因素
1．浓度对反应速率的影响
在一般情况下，当其他条件相同，增大反应物浓度，化学反应速率增大；降低反应物浓度，化学反应速率减小。
微点拨：①对于固体或纯液体，其浓度可视为常数，因而其物质的量改变时不影响化学反应速率。②固体物质的反应速率与接触面积有关，颗粒越细，表面积越大，反应速率就越快。块状固体可以通过研细来增大表面积，从而加快化学反应速率。③对于离子反应，只有实际参加反应的各离子浓度发生变化，才会引起化学反应速率的改变。
2．探究温度对化学反应速率的影响
若其他条件相同，升高温度，化学反应速率增大；降低温度，化学反应速率减小。
注意：温度对反应速率的影响规律，对吸热反应、放热反应都适用，且不受反应物状态的限制。不论放热反应还是吸热反应，升温时，化学反应速率均增大；降温时，化学反应速率均减小。
3．催化剂对化学反应速率的影响
催化剂可以改变化学反应速率。
注意：①催化剂有正、负之分，一般情况下的催化剂是指正催化剂。
②催化剂有选择性，不同化学反应的催化剂不相同，催化剂具有一定的活化温度。
③催化剂对可逆反应的正、逆反应的速率影响相同。
4．压强对化学反应速率的影响
对于有气体参加的化学反应，改变压强同样可以改变化学反应速率。
在一个容积可变的密闭容器中发生反应：3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)。
回答下列问题：
(1)增加Fe的量，正反应速率________(填“增大”“不变”或“减小”，下同)。
(2)将容器容积缩小一半，正反应速率________，逆反应速率________。
(3)保持容器容积不变，充入N2使体系压强增大，正反应速率________，逆反应速率________。
(4)保持压强不变，充入N2使容器容积增大，正反应速率________，逆反应速率________。
[解析] (1)Fe为固体，因此增加Fe的量，反应速率不变。(2)将容器容积缩小一半，体系中各气态物质的浓度均增大，正反应速率和逆反应速率都增大。(3)保持容器容积不变，充入N2使体系压强增大，体系中各物质的浓度不变，正反应速率和逆反应速率均不变。(4)保持压强不变，充入N2使容器容积增大，体系中各气态物质的浓度均减小，正反应速率和逆反应速率均减小。
[答案] (1)不变 (2)增大 增大 (3)不变 不变 (4)减小 减小
三、活化能
1．活化能与简单碰撞理论
(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。我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞。发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子叫做活化分子。
(2)化学反应一般需要一个活化的过程，即能发生反应的分子，必须是先吸收能量后形成活化分子。
(3)活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差，叫做反应的活化能(Ea)。
(4)解释化学反应的过程
2．利用碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响
活化能大小主要是由反应物自身的性质决定的(改变外界条件也可以改变反应的活化能，如加入催化剂)，即反应物自身的性质影响着化学反应所需的活化能，从而影响化学反应速率的大小。例如：活化能小→普通分子容易变成活化分子→活化分子百分数大→单位体积内活化分子数多→单位时间、单位体积内有效碰撞次数多→化学反应速率大(内因对化学反应速率的影响)。
活化分子间的碰撞一定能发生化学反应吗？
[提示] 不一定。活化分子需要在合适的取向上碰撞才能发生化学反应。
物理学科中可以利用速度来描述物质运动的快慢，化学学科中我们利用化学反应速率来定量测量化学反应的快慢。
[问题1] 计算化学反应速率时，我们应该知道哪些物理量？
[提示] 起始浓度、终态浓度、反应时间。
[问题2] 对于比较复杂的化学反应速率计算，常采用“三段式法”进行计算，如下例所示：
2A(g)＋B(g)2C(g)
起始浓度/(ml·L－1) 2 1 0
转化浓度/(ml·L－1) 2x x 2x
ns后浓度/(ml·L－1) 2－2x 1－x 2x
有v(A)＝eq \f(2x,n) ml·L－1·s－1，v(B)＝eq \f(x,n) ml·L－1·s－1，v(C)＝eq \f(2x,n) ml·L－1·s－1，B的转化率为eq \f(x,1)×100%。
根据上面具体实例，总结“三段式法”的操作步骤。
[提示] (1)写出化学反应方程式并配平。 (2)根据题意，依次列出各反应物和生成物的起始浓度(或物质的量)、浓度(或物质的量)的变化量及一段时间后的浓度(或物质的量)，未知量可以设未知数表示。(3)根据起始浓度(或物质的量)与一段时间后的浓度(或物质的量)的差等于浓度(或物质的量)的变化量，变化量之比等于对应物质的化学计量数之比，列出关系式计算。
1．化学反应速率的计算方法
(1)利用基本公式：v＝eq \f(Δc,Δt)＝eq \f(Δn,V·Δt)。
(2)利用速率之比＝化学计量数之比＝各物质浓度的变化量(Δc)之比＝各物质物质的量的变化量(Δn)之比。
(3)“三段式”法计算模板
例如：反应 mA＋nBpC
起始浓度/(ml·L－1) a b c
转化浓度/(ml·L－1) x eq \f(nx,m) eq \f(px,m)
t时刻浓度/(ml·L－1) a－x b－eq \f(nx,m) c＋eq \f(px,m)
计算中注意以下量的关系：
①对反应物：c(起始)－c(转化)＝c(某时刻)；
②对生成物：c(起始)＋c(转化)＝c(某时刻)。
2．比较化学反应速率大小的三步骤
(1)变换单位——将各反应速率的单位统一。
(2)转换物质——将各反应速率转换成用同一物质表示的反应速率(一般转换成化学计量数最小的物质)。
(3)比较大小——比较各反应速率的数值大小。
题组1 化学反应速率的计算
1．(2021·山东聊城九校高二月考)在一密闭容器中充入一定量的H2和N2，经测定反应开始后3 s内v(N2)＝0.15 ml·L－1·s－1，则3 s末NH3的浓度为( )
A．0.4 ml·L－1B．0.6 ml·L－1
C．0.9 ml·L－1 D．1.2 ml·L－1
C [发生反应N2＋3H22NH3，3 s内氮气的平均速率：v(N2)＝0.15 ml·L－1·s－1，速率之比等于化学计量数之比，则v(NH3)＝2v(N2)＝2×0.15 ml·L－1·s－1＝0.3 ml·L－1·s－1，故3 s末NH3的浓度为0.3 ml·L－1·s－1×3 s＝0.9 ml·L－1。]
2．(2021·北京人大附中高二月考)在2 L密闭容器中充入一定量的SO2和O2，化学方程式是2SO2＋O22SO3。经测定反应开始后3 s末O2的物质的量减小了1.5 ml，则前3 s内SO2的平均反应速率为( )
A．0.25 ml·L－1·s－1 B．0.5 ml·L－1·s－1
C．0.75 ml·L－1·s－1 D．0.83 ml·L－1·s－1
B [v(O2)＝eq \f(\f(1.5 ml,2 L),3 s)＝0.25 ml·L－1·s－1，v(O2)∶v(SO2)＝1∶2，故v(SO2)＝2v(O2)＝2×0.25 ml·L－1·s－1＝0.5 ml·L－1·s－1。]
题组2 化学反应速率的大小比较
3．反应A(g)＋3B(g)2C(g)＋2D(g)，在不同情况下测得反应速率，其中对反应速率的正确描述中最快的是( )
A．v(D)＝0.4 ml·L－1·min－1
B．v(A)＝0.5 ml·L－1·min－1
C．v(B)＝0.6 ml·L－1·min－1
D．v(C)＝0.5 ml·L－1·min－1
B [不同物质表示的速率之比等于其化学计量数之比，故单位一致时，不同物质表示的速率与其化学计量数的比值越大，表示的反应速率越快，A．eq \f(vD,2)＝0.2 ml·L－1·min－1；B．eq \f(vA,1)＝0.5 ml·L－1·min－1;C．eq \f(vB,3)＝0.2 ml·L－1·min－1;D．eq \f(vC,2)＝0.25 ml·L－1·min－1，故v(A)表示的反应速率最快。]
4．反应A(g)＋3B(g)2C(g)＋2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为
①v(A)＝0.45 ml·L－1·s－1、②v(B)＝0.6 ml·L－1·s－1、③v(C)＝0.4 ml·L－1·s－1、④v(D)＝0.45 ml·L－1·s－1，该反应进行的快慢顺序为( )
A．①＞③＝②＞④ B．①＞②＝③＞④
C．②＞①＝④＞③ D．①＞④＞②＝③
D [同一化学反应中，在单位相同条件下，化学反应速率与其化学计量数的比值越大，该反应速率越快，①eq \f(vA,1)＝eq \f(0.45,1) ml·L－1·s－1＝0.45 ml·L－1·s－1；②eq \f(vB,3)＝eq \f(0.6,3) ml·L－1·s－1＝0.2 ml·L－1·s－1；③eq \f(vC,2)＝eq \f(0.4,2) ml·L－1·s－1＝0.2 ml·L－1·s－1；④eq \f(vD,2)＝eq \f(0.45,2) ml·L－1·s－1＝0.225 ml·L－1·s－1，所以其反应速率快慢关系为①＞④＞②＝③。]
过氧化氢化学式为H2O2，其水溶液俗称双氧水。外观为无色透明液体，是一种强氧化剂，由于其还原产物为水，因此在工业上称为绿色氧化剂。其水溶液适用于医用伤口消毒及环境消毒和食品消毒。在一般情况下会分解成水和氧气，但分解速度极慢，改变条件可以加快反应速度，例如升高温度、加入适当的催化剂(MnO2、某些金属离子如Fe3＋、Cu2＋等)。
[问题1] 为比较Fe3＋和Cu2＋对H2O2分解的催化效果，某实验小组的同学设计了如图所示的实验装置进行实验。
有同学认为上述实验设计不合理，不能得出相应的结论。请简述理由并提出改进措施。
[提示] 二者的阴离子不同，对实验会造成干扰。为消除阴离子不同造成的干扰，可将0.1 ml·L－1的FeCl3溶液改为0.05 ml·L－1的Fe2(SO4)3溶液，或者将0.1 ml·L－1的CuSO4溶液改为0.1 ml·L－1的CuCl2溶液。
[问题2] 某小组拟在同浓度Fe3＋的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器：30% H2O2溶液、0.1 ml·L－1Fe2(SO4)3溶液、蒸馏水、锥形瓶、双孔塞、水槽、胶管、玻璃导管、量筒、秒表、恒温水浴槽、注射器。
参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案(列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据；数据用字母表示)。
[提示] 探究时一定要注意变量的控制，即只改变一个变量，才能说明该变量对反应的影响。表格中给出了硫酸铁的量，且体积均相等。而探究的是不同浓度的双氧水分解的速率，所以必须要有不同浓度的双氧水，但题给试剂中只有30%的双氧水，因此还需要蒸馏水，要保证硫酸铁的浓度相同，必须保证两组实验中双氧水和蒸馏水的总体积相同，且两组实验中双氧水和蒸馏水的体积不同两个条件。同时还要记录两组实验中收集相同体积氧气所需时间或相同时间内收集氧气的体积大小。
或
1．浓度对化学反应速率的影响
(1)规律：其他条件相同时，增大反应物浓度，反应速率增大，减小反应物浓度，反应速率减小。此规律只适用于气体或溶液的反应，对于纯固体或纯液体的反应物，一般情况下其浓度是常数，因此改变它们的量不会改变化学反应速率。但固体反应物表面积越大，反应速率越大。
(2)原因分析：
①增大反应物浓度→单位体积内活化分子数增多→有效碰撞次数增加→反应速率增大；
②减小反应物浓度→单位体积内活化分子数减少→有效碰撞次数减少→反应速率减小。
2．压强对化学反应速率的影响(适用范围：有气体参与的化学反应)
(1)对于固体或液体，压强的变化，基本不影响其浓度，也不影响其反应速率。
(2)恒容时充入“无关气体”，容器总压强增大，但各反应物的浓度不变，反应速率不变。
(3)恒压时充入“无关气体”，引起体积增大，各反应物浓度减小，反应速率减小。
(4)原因分析：
①增大压强→单位体积内活化分子数增多→有效碰撞次数增加→反应速率增大；
②减小压强→单位体积内活化分子数减少→有效碰撞次数减少→反应速率减小。
3．温度对化学反应速率的影响
温度升高反应速率增大；温度降低反应速率减小。原因是升高温度→活化分子百分数提高→有效碰撞次数增加→化学反应速率增大。
4．催化剂对反应速率的影响
加入合适的催化剂→使发生反应所需的活化能降低(如图所示，图中实线和虚线分别表示无催化剂和有催化剂的反应过程，反应物和生成物的能量与活化能的关系)→反应体系中活化分子百分数提高→有效碰撞次数增加→反应速率增大。
1．对于反应2NO2(g)N2O4(g)，关于反应速率的说法正确的是( )
A．6 ml·L－1·s－1的反应速率一定比3.5 ml·L－1·s－1的反应速率大
B．反应速率越大，可逆反应进行的越完全
C．恒温恒容下，充入N2，压强增大但正逆反应速率都不变
D．升温或加压都能增大反应物活化分子百分数，从而加快速率
C [不同物质代表的速率不能直接比较数据，应该转化为同种物质表示的速率，再比较数据大小，A错误；反应速率越大，反应达到平衡时用的时间越短，可逆反应进行的程度与反应速率无关，B错误；恒温恒容下，充入N2，压强增大，但反应物的浓度不变，正逆反应速率都不变，C正确；增大压强，反应物的浓度增大，单位体积内活化分子数目增大，但是活化分子百分数不变，D错误。]
2．H2O2分解速率受多种因素影响。实验测得70 ℃时不同条件下H2O2浓度随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
甲 乙
丙 丁
A．图甲表明，其他条件相同时，H2O2浓度越小，其分解速率越快
B．图乙表明，其他条件相同时，溶液pH越小，H2O2分解速率越快
C．图丙表明，少量Mn2＋存在时，溶液碱性越强，H2O2分解速率越快
D．图丙和图丁表明，碱性溶液中，Mn2＋对H2O2分解速率的影响大
D [A项，浓度对反应速率的影响是浓度越大，反应速率越快，错误；B项，NaOH浓度越大，即pH越大，H2O2分解速率越快，错误；C项，由图可知，Mn2＋存在时，0.1 ml·L－1NaOH溶液中H2O2的分解速率比1.0 ml·L－1的NaOH溶液中的快，错误；D项，由图可知，碱性条件下，Mn2＋存在时，对H2O2分解速率影响大，正确。]
1．(2021·江西赣州会昌高二期中)下列说法正确的是( )
A．在化学反应中，固体和纯液体的化学反应速率为零
B．在可逆反应里，当反应达到平衡后，其化学反应速率为零
C．在某一化学反应里，其化学反应速率可以用反应物浓度的改变或生成物浓度的改变来表示，其数值可能相同，也可能不相同
D．化学反应速率用生成物浓度的改变来表示时可以是负值
C [固体或纯液体的浓度视为常数，不能用固体或纯液体的浓度变化量表示化学反应速率，A错误；可逆反应达到平衡的重要特征是正、逆反应速率相等但不为零，B错误；在同一化学反应中，其化学反应速率可以用反应物浓度的改变来表示，也可以用生成物浓度的改变来表示，化学计量数相同的物质表示的化学反应速率相同，化学计量数不同的物质表示的化学反应速率不同，C正确；化学反应速率一律用正值表示，D错误。]
2．在密闭容器中，A与B反应生成C，其反应速率分别用v(A)、v(B)、v(C)表示，已知2v(B)＝3v(A)、3v(C)＝2v(B)，则此反应可表示为( )
A．A＋3B===2C B．2A＋3B===2C
C．3A＋B===2C D．A＋B===C
B [已知2v(B)＝3v(A)、3v(C)＝2v(B)，反应速率之比等于相应的化学计量数之比，则v(A)∶v(B)∶v(C)＝2∶3∶2，因此该反应可表示为2A＋3B===2C。]
3．在2 L的恒容容器中，充入1 mlA和3 mlB，并在一定条件下发生如下反应：A(s)＋3B(g)2C(g)，若经3 s后测得C的浓度为0.6 ml·L－1，下列选项说法正确的组合是( )
①用B表示的反应速率为0.4 ml·L－1·s－1
②3 s时生成C的物质的量为1.2 ml
③3 s时B的浓度为0.6 ml·L－1
A．①② B．①③ C．②③ D．①②③
C [①前3 s内v(C)＝eq \f(0.6－0,3) ml·L－1·s－1＝0.2 ml·L－1·s－1，相同时间内v(B)＝eq \f(3,2)v(C)＝eq \f(3,2)×0.2 ml·L－1·s－1＝0.3 ml·L－1·s－1，错误；②3 s时生成C的物质的量＝Δc×V＝0.6 ml·L－1×2 L＝1.2 ml，正确；③3 s内生成n(C)＝0.6 ml·L－1×2 L＝1.2 ml，根据方程式知，相同时间内消耗n(B)＝eq \f(3,2)n(C)＝eq \f(3,2)×1.2 ml＝1.8 ml,3 s时c(B)＝eq \f(n,V)＝eq \f(3－1.8,2) ml·L－1＝0.6 ml·L－1，正确。]
4．据报道，加拿大科学家发明了一种特殊的“电催化剂”，该新型“电催化剂”是一种用于电解器中催化水分解为氢气与氧气的多孔金属氧化物固体。下列有关该催化剂的说法正确的是( )
A．使用该催化剂，能减小水分解反应的焓变
B．该催化剂的使用可提高水的分解率
C．金属氧化物固体的多孔结构，可提高催化剂的催化效率
D．该催化剂还可以作其他所有液态化合物分解反应的催化剂
C [加入催化剂，不能改变水分解反应的焓变，A错误；催化剂的使用不会引起平衡的移动，不能改变水的分解率，B错误；固体接触面积越大，催化剂的催化效率越高，C正确；催化剂具有专一性、选择性，不同反应往往选择不同的催化剂，D错误。]
5．为了研究MnO2与双氧水(H2O2)的反应速率，某学生加入少许的MnO2粉末于50 mL密度为 1.1 g·cm－3的双氧水溶液中，通过实验测定：在标准状况下放出气体的体积和时间的关系如图所示。
请依图回答下列问题：
(1)放出一半气体所需要的时间为_________。
(2)A、B、C、D各点反应速率快慢的顺序是______________。
(3)过氧化氢溶液的初始物质的量浓度为_________。
[解析] (1)由图像可知，当放出一半气体所需要的时间为1 min。
(2)反应物浓度大小决定反应速率大小，随着反应的进行，双氧水的浓度逐渐减小，反应速率也随着减小。
(3)由反应方程式为2H2O2eq \(=====,\s\up8(MnO2))2H2O＋O2↑，该反应为不可逆反应，在5 min后，收集到的气体体积不再增加，说明过氧化氢完全分解，由图像可知，生成氧气的体积为60 mL，
2H2O2eq \(=====,\s\up8(MnO2))2H2O＋O2↑
2 ml 22.4 L
n(H2O2) 0.06 L
n(H2O2)＝eq \f(2 ml×0.06 L,22.4 L)≈0.005 36 ml，
所以c(H2O2)＝eq \f(0.005 36 ml,0.05 L)≈0.11 ml·L－1。
[答案] (1)1 min (2)D＞C＞B＞A
(3)0.11 ml·L－1
学 习 任 务
1．了解化学反应速率的概念，掌握化学反应速率的简单计算。
2．学会化学反应速率的测定方法，会比较化学反应速率的快慢，培养科学探究与创新意识的化学核心素养。
3．掌握外界条件(浓度、压强、温度、催化剂)对化学反应速率的影响规律及实质，并会用相应规律解决有关问题。
4．了解活化能的含义，会用活化能理论解释化学反应速率的影响因素，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
化学反应速率的计算方法
探究影响化学反应速率的因素
物理量
实验序号
V[0.1 ml·L－1
Fe2(SO4)3]/mL
……
1
a
……
2
a
……
v(H2O2)/mL
v(H2O)/mL
v(O2)/mL
t/s
1
b
c
e
d
2
c
b
e
f
v(H2O2)/mL
v(H2O)/mL
t/s
v(O2)/mL
1
b
c
e
d
2
c
b
e
f