2023版创新设计高考化学（新教材鲁科版）总复习一轮讲义第7章　化学反应的方向、限度与速率

第3讲　化学反应的速率　化学反应条件的优化——工业合成氨
【课标要求】　1.知道化学反应速率的表示方法，了解测定化学反应速率的简单方法。
2.通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。
3.知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。
4.能进行化学反应速率的简单计算，能用一定的理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响。
5.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。

一、化学反应速率
1.化学反应是有历程的
(1)基元反应：大多数化学反应都是分几步完成的，其中的每一步反应称为基元反应。
如：2HI===H2＋I2实际上经过下列两步反应完成：
①2HI―→H2＋2I·
②2I·―→I2
(2)反应历程：基元反应构成的反应序列，又称反应机理。
(3)总反应：基元反应的总和。
(4)复杂反应：由几个基元反应组成的总反应。
2.化学反应速率的概念与表示方法

3.化学反应速率与系数的关系
对于已知反应：mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)，在同一段时间内，用不同物质来表示该反应速率，当单位相同时，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。即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q。
【诊断1】 判断下列叙述的正误(正确的划“√”，错误的划“×”)。
(1)化学反应速率为0.8 mol·L－1·s－1，是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L－1(×)
(2)对于反应：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)，v(NO)与v(O2)的关系是4v(NO)===5v(O2)(×)
(3)对于反应：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)，若v(H2)＝0.5 mol/(L·s)，则v(C)＝0.5 mol/(L·s)(×)
(4)甲、乙两容器中分别充入2 mol NO2和4 mol NO2，5分钟后两者各反应掉NO2 1 mol和2 mol，则说明乙中反应速率大(×)
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(只改变一个条件，其他条件不变)
(1)影响因素及影响结果


“惰气”对反应速率的影响
在恒温恒
容条件下
通入“惰气”，总压增大，反应物浓度不变，反应速率不变
恒温恒压
条件下
通入“惰气”，总体积增大，反应物浓度减小，反应速率减小
(2)有效碰撞理论分析外界条件对化学反应速率的影响
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
②活化能
活化能(如图)

图中：E1为正反应活化能，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

(3)浓度对化学反应速率影响的定量分析——速率方程
一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其系数为指数的幂的乘积成正比。
对于反应：aA(g)＋bB(g)gG(g)＋hH(g)，
则v正＝k正·ca(A)·cb(B)(其中k正为正反应的速率常数)，v逆＝k逆·cg(G)·ch(H)(其中k逆为逆反应的速率常数)。
如反应：2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)，
v正＝k正·c2(NO2)，v逆＝k逆·c2(NO)·c(O2)。
(4)过渡态理论分析温度、催化剂对反应速率的影响
①过渡态是反应过程中具有最高能量的一种结构状态，过渡态能量与反应物的平均能量的差值相当于活化能。活化能越高，反应越难发生。升温可以提高反应物分子的能量，增大反应物分子形成过渡态的比例，因此升高温度可以提高化学反应的速率。
②催化剂的质量和化学性质在反应前后不变，反应历程中既包括有催化剂参与的反应，又包括使催化剂再生成的反应。可催化剂通过参与反应改变反应历程、改变反应的活化能来改变化学反应速率。
【诊断2】 判断下列叙述的正误(正确的划“√”，错误的划“×”)。
(1)对于反应：2H2O2===2H2O＋O2↑，加入MnO2或降低温度都能加快O2的生成速率(×)
(2)反应C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)在固定容积的容器中进行，充入N2后，体系压强增大，反应速率加快(×)
(3)升高温度可以使吸热反应的反应速率增大，但放热反应的反应速率减小(×)
(4)两试管各加入5 mL 0.1 mol·L－1Na2S2O3溶液，同时分别滴入5 mL 0.1 mol·L－1硫酸和盐酸，两支试管同时变浑浊(×)
三、化学反应条件的优化——工业合成氨
1.合成氨的反应特点
热化学方程式：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1

2.从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件

3.综合考虑——选择适宜的生产条件
温度：400～500 ℃、压强10～30 MPa、投料比：＝，以铁触媒作催化剂，采用循环操作提高原料利用率。

将氨液化分离后的原料气(N2、H2)重新压入到合成塔
【诊断3】 判断下列叙述的正误(正确的划“√”，错误的划“×”)。
(1)温度越高越利于合成氨反应平衡正向移动(×)
(2)合成氨反应中，压强越大越利于反应速率加快和平衡正向移动(√)
(3)使用催化剂能提高合成氨反应物的平衡转化率(×)
(4)工业生产硫酸的重要反应2SO2(g)＋O22SO3(g)　ΔH①>②>⑤>④
解析　②经转化可表示为v(CO)＝2v(NO2)＝1.4 mol·L－1·min－1；③v(CO)＝4v(N2)＝1.6 mol·L－1·min－1；④v(CO)＝v(CO2)＝1.1 mol·L－1·min－1；⑤v(CO)＝2v(NO2)＝0.02 mol·L－1·s－1＝1.2 mol·L－1·min－1，故③>①>②>⑤>④。

反应快慢比较的方法
❶归一法
按照相应物质系数关系将化学反应速率换算成用同一物质、同一单位表示的速率，再比较它们数值的大小。
❷比值法
比较化学反应速率与其对应的化学计量数的比值。如aA(g)＋bB(g)cC(g)，即比较与，若>，则用A表示的反应速率比用B表示的大。
考点二　化学反应速率的影响因素、活化能
题组一　影响化学反应速率的因素
1.反应3Fe(s)＋4H2O(g)Fe3O4(s)＋4H2(g)在一容积可变的密闭容器中进行，下列条件的改变能使反应速率加快的是(　　)
①增加铁粉的质量　②将容器的容积缩小一半　③保持容器容积不变，充入N2使体系压强增大　④保持容器容积不变，充入水蒸气使体系压强增大
A.①④ B.②③
C.①③ D.②④
答案　D
解析　①铁粉是固体，增加铁粉的质量，反应速率不变，错误；②将容器的容积缩小一半，H2O(g)、H2(g)的浓度增大，反应速率加快，正确；③保持容器的容积不变，充入N2使体系压强增大，H2O(g)、H2(g)的浓度不变，反应速率不变，错误；④保持容器的容积不变，充入水蒸气使体系压强增大，H2O(g)浓度增大，反应速率加快，正确。
2.在一密闭容器中充入1 mol H2和1 mol I2，压强为p(Pa)，并在一定温度下使其发生反应：H2(g)＋I2(g)2HI(g)　ΔHvb。反应速率v＝v正－v逆＝k正x2SiHCl3－k逆xSiH2Cl2xSiCl4，其中，v正＝k正x2SiHCl3，v逆＝k逆xSiH2Cl2xSiCl4，343 K下反应达到平衡状态时v正＝v逆，即k正x2SiHCl3＝k逆xSiH2Cl2xSiCl4，此时SiHCl3的平衡转化率α＝22%，经计算可得SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11，则有k正×0.782＝k逆×0.112，＝≈0.02。a处SiHCl3的平衡转化率α＝20%，此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1，则有＝＝·＝0.02×≈1.3。
【专题精练】
1.已知2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步：
第一步 2NO(g)N2O2(g)(快速平衡)
第二步 N2O2(g)＋O2(g)===2NO2(g)(慢反应)
(1)用O2表示的速率方程为v(O2)＝k1·c2(NO)·c(O2)；NO2表示的速率方程为v(NO2)＝k2·c2(NO)·c(O2)，k1与k2分别表示速率常数，则＝________。
(2)下列关于反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的说法正确的是________(填字母)。
A.增大压强，反应速率常数一定增大
B.第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能
C.反应的总活化能等于第一步和第二步反应的活化能之和
答案　(1)　(2)B
解析　


分析
(1)
由于v(O2)＝k1c2(NO)c(O2)，v(NO2)＝k2c2(NO)c(O2)，k1与k2分别表示速率常数，则＝，根据反应方程式2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)可知：＝，所以＝
(2)
反应速率常数只与温度有关，若增大压强，则反应速率常数不变，A错误；第一步反应是快反应，说明反应的活化能低；第二步反应为慢反应，说明反应的活化能高，所以第一步反应的活化能小于第二步反应的活化能，B正确；反应的活化能由慢反应的活化能决定，对该反应来说，由第二步反应的活化能决定，C错误
2.(1)NO2可发生二聚反应生成N2O4，化学方程式为2NO2(g)N2O4(g)，上述反应达到平衡后，升高温度可使体系颜色加深，则该反应的ΔH__________0(填“>”或“”或“0，反应②2SO2(g)＋O2(g)===2SO3(g)　ΔH“＝”或“　(2)0.25 mol·L－1·min－1
(3)75%　(4)增大
解析　Ⅰ.(1)反应物本身的性质是影响化学反应速率的主要因素，镁比锌活泼，与盐酸反应较剧烈。(2)MnO2是H2O2分解反应的催化剂，可增大反应速率。Ⅱ.(1)t2时刻，反应物逐渐减少，生成物逐渐增多，反应未达到平衡且正向进行，v正>v逆。(2)v＝＝＝0.25 mol·L－1·min－1。(3)t3时刻化学反应达到平衡，剩余2 mol N，则转化了6 mol N，转化率为×100%＝75%。(4)升高温度，反应速率增大。
12.汽车排气管装有的三元催化装置，可以消除CO、NO等的污染，反应机理如下
Ⅰ：NO＋Pt(s)===NO(*)　[Pt(s)表示催化剂，NO(*)表示吸附态NO，下同]
Ⅱ：CO＋Pt(s)===CO(*)
Ⅲ：NO(*)===N(*)＋O(*)
Ⅳ：CO(*)＋O(*)===CO2＋2Pt(s)
Ⅴ：N(*)＋N(*)===N2＋2Pt(s)
Ⅵ：NO(*)＋N(*)===N2O＋2Pt(s)
尾气中反应物及生成物浓度随温度的变化关系如图。

(1)330 ℃以下的低温区发生的主要反应的化学方程式是__________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
(2)反应Ⅴ的活化能________(填“”或“＝”)反应Ⅵ的活化能，理由是__________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
答案　(1)CO＋2NOCO2＋N2O
(2)>　生成N2O的选择性高，说明反应Ⅵ的化学反应速率大，该反应的活化能就小
解析　(1)由图可知330 ℃以下的低温区中CO2、N2O含量较高，故发生的主要反应的化学方程式是CO＋2NOCO2＋N2O。(2)低温区N2O选择性高于N2，由此可推断出：Ⅴ反应的活化能>Ⅵ反应的活化能，理由是反应的活化能小，化学反应速率大，选择性高。

13.(双选)(2021·襄阳模拟)处理、回收CO是环境科学家研究的热点课题。CO用于处理大气污染物N2O，发生的反应为：
N2O(g)＋CO(g)CO2(g)＋N2(g)
ΔH＝－365 kJ·mol－1。上述反应可用“Fe＋”作催化剂，其总反应分两步进行：
第一步：Fe＋＋N2O===FeO＋＋N2；
第二步：FeO＋＋CO===Fe＋＋CO2，第二步反应不影响总反应达到平衡所用的时间。
下列说法中正确的是(　　)
A.FeO＋也是该反应的催化剂
B.第一步中Fe＋与N2O的碰撞仅部分有效
C.第二步反应速率大于第一步反应速率
D.增大CO的浓度可显著增大处理N2O的反应速率
答案　BC
解析　A.FeO＋为中间产物，不作催化剂，故A错误；B.由信息可知，第一步为慢反应，活化能较大，则第一步中Fe＋与N2O的碰撞仅部分有效，故B正确；C.第二步反应不影响总反应达到平衡所用的时间，则第二步反应速率大于第一步反应速率，故C正确；D.CO参与第二步反应，且不影响达到平衡的时间，则增大CO的浓度对处理N2O的反应速率几乎无影响，故D错误。
14.(双选)(2021·济南模拟)某课题组研究煤燃烧过程中氮氧化物氧化砷的微观机理，得到如下图像和数据。(其中k为速率常数，Ea为活化能)。对于所研究的三个反应，下列说法错误的是(　　)
反应动力学参数
　　　　反应　　　　　　Ea/(kJ·mol－1)
As＋N2O―→AsO＋N2　　　 78.45
As＋NO2―→AsO＋NO　 　 2.58
As＋NO―→AsO＋N　　　　155.85

A.相同条件下的氧化性：NO2NO，故A错误；由题干信息可知，NO与As反应对应的活化能最大，则相同条件下As与NO的反应速率最慢，故B正确；升高温度，提供能量，可增大活化分子百分数，增大反应速率，而反应的活化能不变，故C错误；由图可知，As与NO2反应中对应的k受温度影响不大，则升高温度不能显著加快As与NO2的反应速率，故D正确。
15.一氧化二氮(N2O)气体具有轻微的麻醉作用，被广泛应用于医学中。
(1)在恒容容器、不同温度(T)下，反应2N2O(g)===2N2(g)＋O2(g)　ΔH＝－163 kJ·mol－1中N2O分解半衰期随起始压强的变化关系如图所示(半衰期指任一浓度的N2O消耗一半时所需的时间)，则T1________(填“>”“　1.25p0　(2)AC
解析　(1)其他条件相同时，随着温度升高，化学反应速率增大，N2O分解半衰期减小，故T1>T2。当温度为T1、起始压强为p0时，半衰期为t1 min，设起始时N2O的物质的量为1 mol，则t1 min时N2O的物质的量为0.5 mol，用“三段式”法进行计算：

t1 min时总物质的量为(0.5＋0.5＋0.25)mol＝1.25 mol，根据阿伏加德罗定律的推论可知，同温同体积时，气体的压强之比等于其物质的量之比，则＝，p＝1.25p0。(2)温度升高，化学反应速率v＝k·c(N2O)·c0.5(I2)增大，则k增大，A正确；化学反应速率由慢反应的反应速率决定，则第二步反应对总反应速率起决定作用，B错误；活化能小的反应更容易发生，为快反应，故第二步反应的活化能比第三步反应的大，C正确；v＝k·c(N2O)·c0.5(I2)，所以N2O分解速率与I2浓度有关，D错误。