高中化学人教版 (2019)必修 第二册第六章 化学反应与能量第二节 化学反应的速率与限度公开课课件ppt

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第六章 化学反应与能量第二节 化学反应的速率与限度公开课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了一化学反应的速率，化学反应速率，化学反应速率的特点一，化学反应速率的特点二，问题和讨论，变量控制，神奇的催化剂，二化学反应的限度，可逆反应，化学平衡状态等内容，欢迎下载使用。
第二节 化学反应的速率与限度
在化学反应的研究和实际应用中，人们除了选择合适的化学反应以实现所期待的物质转化或能量转化，还要关注化学反应进行的快慢和程度，以提高生产效率。
在化学实验和日常生活中，我们经常观察到这样的现象： 有的化学反应进行得快，有的化学反应进行得慢。
你了解下图涉及的化学反应进行的快慢吗? 反应的快慢程度与我们有什么关系?
不同的化学反应进行的快慢千差万别，快与慢是相对而言的，是一种定性的比较。在科学研究和实际应用中，对化学反应进行的快慢进行定量的描述或比较时，要使用同一定义或标准下的数据。与物理学中物体的运动快慢用速率表示类似，化学反应过程进行的快慢用反应速率来表示。
化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增大来表示 (取正值)。
浓度常以 ml/L 为单位，时间常以 min(分) 或 s(秒)为单位，化学反应速率的单位相应为 ml/(L·min) 或ml/(L·s)。
例如，某反应的反应物浓度在 5 min 内由 6 ml/L变成了2mL，则以该反应物浓度的变化表示的该反应在这段时间内的平均反应速率为0.8ml/(L·min)。
①化学反应速率是标量，只取正值。②化学反应速率有瞬时反应速率和平均反应速率，以上所表示的是某段时间内的平均反应速率。③化学反应速率只适用于气体或溶液，固体或纯液体的浓度可视为常数，并不适用。
v(NO) ═ 0.002ml/L·s
问题1：若用O2的浓度变化来表示此反应速率是多少？若用NH3 来表示呢?
v(O2) ═ 0.0025ml/L·s
v(NH3) ═ 0.002ml/L·s
问题2：此反应化学反应速率用不同物质表示为什么数值 不同？数值上有何规律？
① 同一反应，可用不同物质在单位时间 内浓度的变化来表示，但必须指明是 用哪种反应物或哪种生成物来表示。②用不同物质在单位时间内浓度变化表示时，速率比等于方程式中的系数比。
例如：在反应 aA＋bB ══ cC＋dD中， v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D) ══ a : b : c : d③ 均取正值，且是某一段时间内的平均速率。
在一定条件下，mA＋nB═pC的反应中，各物质的化学反应速率为 V(A) ═ aml·L－1·s－1，V(B)═a/2ml·L－1·s－1， V(C) ═ aml·L－1·s－1， 则该反应的化学方程式是__________________。
二、影响化学反应速率的因素
化学反应的速率往往受到反应条件的影响。例如，过氧化氢溶液在常温下分解放出氧气的速率很小，但是加入催化剂二氧化锰后，分解速率增大。像这样通过改变化学反应的条件来调控化学反应速率的情况，在实际的生产和生活中常常会遇到。
对于有些化学反应，我们希望其越慢越好，如食物的变质、橡胶和塑料的老化、金属的锈蚀；有些则希望其快一些，如氨、硫酸等化工产品的生产。调控化学反应速率常常是决定化学实验成败或化工生产成本的关键有哪些因素能够影响化学反应速率呢?
化学反应速率是由反应物的性质决定的；---- 内因是主要因素
[问题] 我们已经知道催化剂可以影响化学反应速率， 此外还有哪些条件会影响化学反应的速率？
[假设 ] 影响化学反应速率的因素可能有反应温度、反应物浓度等。
[用品] 5%H2O2溶液、1ml/L FeCl3溶液、0.1 ml/L 盐酸、1ml/L 盐酸、大理石碎块冷水、热水、试管、试管夹、烧杯、量筒、胶头滴管。
[实验] (1) 反应温度的影响
在两支大小相同的试管中均加入 2 mL 5% H2O2溶液，同时滴入 2 滴 1 ml/L FeCl3 溶液。待试管中均有适量气泡出现时，将其中一支试管放入盛有冷水的烧杯中，另一支试管放入盛有热水的烧杯中，观察现象并进行对比。
(2) 反应物浓度的影响利用实验室提供的用品，设计实验方案并提请教师审阅，待教师同意后进行实验 (提示：探究某影响因素时，需保持其他条件因素相同 )。步骤：________________________________________ ________________________________________________________________________________________________
在两支大小相同的试管中分别加入相同质量的大理石碎块，再加入0.1ml/L盐酸10mL和0.05ml/L盐酸10mL，观察试管中气泡产生的快慢
影响化学反应速率的因素还可能有哪些? 请选择其中一个因素，设计实验验证方案，与同学交流。
实验步骤：在2支试管里分别加入粉碎了的大理石和没有粉碎的大理石，然后分别滴入5mL0.1ml/L的HCl，对比观察现象，将你看到的现象记录下来。结论：粉碎的大理石产生气体快，说明物质的表面积可以影响反应速率。
科学研究中，对于多因素 (多变量) 的问题，常常采用只改变其中的某一个因素，控制其他因素不变的研究方法，使多因素的问题变成几个单因素的问题，分别加以研究，最后再将几个单因素问题的研究结果加以综合。
这种变量控制的方法是科学探究中常用的方法。例如，以上探究在比较不同温度对化学反应速率的影哈时，控制浓度和其他影响因素相同；而比较不同浓度对化学反应速率的影响时，则控制温度和其他影响因素相同； 最后综合得出影响化学反应速率的多种因素。
大量实验事实和科学研究证明： 一般条件下，当其他条件相同时，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；升高温度，化学反应速率增大，降低温度，化学反应速率减小；催化剂可以改变化学反应速率。
对于气体来说，在相同温度下，压强越大，一定质量气体的体积越小，单位体积内气体的分子数越多(如图6-16)。
增大压强 (减小容器容积) 相当于增大反应物的浓度，化学反应速率增大；减小压强 (增大容器容积) 相当于减小反应物的浓度，化学反应速率减小。
影响化学反应速率的因素
内因：反应物本身的性质 (最主要因素)
浓度：浓度大，反应速率快温度：温度高，反应速率快催化剂：一般加快反应速率压强：压强大，反应速率快固体的表面积反应物的状态等
(1) 温度对化学反应速率的影响
规律：当其它条件不变时，升高温度，化学反应速率增大。降低温度，化学反应速率减小。实验测得，温度每升高10度，化学反应速率通常增大原来的2～4倍。注意：温度对反应速率的影响不受反应物状态的限制。
(2) 催化剂对化学反应速率的影响
规律：催化剂能改变化学反应的速率。有的催化剂能加快化学反应的速率，叫正催化剂；有的催化剂能减慢化学反应速率，叫负催化剂。在实践中，如没有特殊说明，凡说催化剂都是指正催化剂。
(3) 浓度对化学反应速率的影响
规律：当其它条件不变时，增大反应物的浓度，化学反应速率增大。减小反应物的浓度，化学反应速率减慢。
(4) 固体反应物的表面积对化学反应速率的影响
规律：当其它条件不变时，增大固体反应物的表面积，化学反应速率增大。减小固体反应物的表面积，化学反应速率减慢。
(5) 其他条件对化学反应速率的影响--如光照、紫外线等。
下列调控反应速率的措施或实验中，分别利用或体现了哪些影响反应速率的因素?
1. 向炉膛内鼓风，用煤粉代替煤块可以使炉火更旺。
2. 把食物放在冰箱里，在糕点包装内防治除氧剂可以延长食品保质期。
温度越高，食物腐败变质的速率越快，电冰箱能提供较低的温度，减缓食物的腐败；除氧剂减少氧气含量，等于减少反应物浓度，减缓食物腐败。
3. 实验室通常要将两种块状或颗粒状的固体药品研细，并混匀后再进行反应。原因是什么？
能增大反应物的接触面积，使反应物充分接触，使反应速率加快。
4. 镁在空气中和在纯氧中反应的剧烈程度明显不同。
催化剂是现代化学中关键而神奇的物质之一。据统计，有80%以上的化工生产过程(如氨、硫酸、硝酸的合成，乙烯、丙烯苯乙烯的聚合，煤、石油、天然气的综合利用，等等) 使用了催化剂，目的是增大反应速率，提高生产效率。
在资源利用、能源开发、医药制造、环境保护等领域，催化剂有着广泛的应用。催化剂十分神奇，它能极大地提高化学反应速率 (可使反应速率增大几个到十几个数量级 )，而自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化；它和一些反应体系的关系就像钥匙与锁的关系，具有一定的选择性。
生物体内几乎所有的化学反应 (如淀粉、脂肪、蛋白质的水解，DNA的复制等) 都是由生物体内存在的特殊催化剂一酶所催化的。酶比一般的催化剂具有更高的选择性和催化效率，而且是在正常体温的条件下发生作用，反应条件温和。受酶的启示，科学家开辟了设计和合成催化剂的新途径正在研制具有生物酶某些特性的化学酶，以期实现“仿酶催化”。
催化剂的神奇面纱至今尚未完全揭开，对催化剂的研究是当代化学一个极具魅力和应用前景的重要课题。
1. ① 在某一化学反应中，生成物B的浓度在5s内从0.5ml/L变成2.0ml/L，在这5s内B的化学反应速率为_____________。② 一个5L的容器中，盛入8.0ml某气体反应物，5min后，测得这种气体反应物还剩余6.8ml，这种反应物的化学反应速率为__________________。
0.3 ml/(L·S)
0.048 ml/(L·min)
3. (课本49第3题) 下列措施中，不能增大化学反应速率的是( )A、Zn与稀硫酸反应制取H2时，加入蒸馏水B、Al在O2中燃烧时生成Al2O3,用铝粉代替铝片C、CaCO3与稀盐酸反应生成CO2时，适当升高温度D、KClO3分解制取O2时，添加少量MnO2
【解析】A、减小了稀硫酸浓度，反应速率减小；B、增大了接触面积，反应加快；C、温度升高，反应加快；D、加入催化剂，反应加快
4. 为了研究碳酸钙与稀盐酸反应的反应速率，一位同学通过实验测定反应中生成的CO2气体体积随反应时间变化的情况，绘制如图曲线。请分析讨论以下问题。试分析O~t3三个时间段里，反应速率不同的可能原因(该反应是放热反应)。
解：开始时C(H＋)大，该反应的反应速率大； t1—t2由于反应放热温度升高，所以速率迅速增大；最后是因为C(H＋) 减小了，反应速率减慢.
5、下列四种 X 溶液均能与盐酸反应，其中反应最快的是 ( )。A.10℃20mL 3ml/L的X溶液 B.20℃30mL 2ml/L的X溶液C.20℃10mL 4ml/L的X溶液 D.10℃10mL 2ml/L的X溶液
【解析】浓度大，温度高反应快。
6. 在反应 4A(s)＋3B(g)＝2C(g)＋D(g)中，经2min，B的浓度减少0.6ml •L－1，对此反应速率的表示正确的是( )。A. 用A表示的反应速率为0.4ml •L－1 •min－1B. 分别用B、C、D表示的反应速率其比值为3∶2∶1C. B在2min末的反应速率是0.3ml •L－1 •min－1D. B在2min内的平均反应速率是0.3ml •L－1 •min－1
【解析】根据化学反应速率和系数成正比进行计算。
化学反应是按照化学方程式中的计量关系进行的，我们正是据此进行有关化学方程式的计算。你是否思考过这样的问题：一个化学反应在实际进行时 (如化学实验、化工生产等)，反应物是否会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物? 如果能，是在什么条件下?如果不能，原因是什么?
我们知道，在 SO2 与 H2O 的反应中，由于生成物 H2SO 不稳定，会部分地分解为SO2与H2O，该反应是一个可逆反应，不能进行到底。另外，我们学习过的 H2 与N2 生成 NH3 的反应也是可逆反应，同样不能进行到底。
1. 定义 一定条件下，既能正向又能逆向进行的化学反应叫可逆反应。
科学研究表明，很多化学反应都是可逆反应。在一定条件下，某个可逆反应在开始进行时，反应物的浓度最大，生成物浓度为零，因此正反应速率大于逆反应速率。条件下，某个可逆反应在开始进行时，反应物的浓度最大生成物浓度为零，因此正反应速率大于逆反应速率。
启示：化学反应是有限度的，有些能进行的较彻底，有些反应是不彻底的，甚至是可逆的。
2. 在一固定容积的密闭容器里，加1mlN2和3ml H2 (合适催化剂)，能发生什么反应？
N2＋H2 → NH3
(1) 开始时c(N2) 、c(H2)大， c(NH3) ═ 0
只有正反应，v(逆) ═ 0
N2 ＋ H2 → NH3
(2) 瞬间后 c(N2) 、c(H2 )变小 , c(NH3)≠0
正逆反应都进行，v(逆)≠0，v(正) ＞ v(逆)
一定时间段内有什么特征？
(3) c(N2) 、c(H2) 逐渐变小，c(NH3) 逐渐增大，三种物质的浓度达到一个特定值。
v(正) ═ v(逆) ≠0
由于 v(正) ═ v(逆)≠0，虽然正、逆反应都在进行，但各种物质的百分含量、浓度都不会发生变化.
从外表上看，反应好象“停止”。
可逆反应的这种特殊状态就是我们今天要研究的化学平衡状态。
(1) 0~t1：v(正) ＞ v(逆)
(2) t1以后： v(正) ＝ v(逆)
t1以后反应处于平衡状态!
在一定条件下的可逆反应中，当正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。
前提 (适用范围)：可逆反应
内在本质：v(正) ＝ v(逆) ≠ 0
外在标志：反应混合物中各组分的浓度保持不变
2、化学平衡状态的特征
(3) 动：动态平衡(v(正) ═ v(逆)≠0)
(2) 等：v(正) ＝ v(逆)
(4) 定：反应混合物中各组分的浓度保持定，各组分的含量保持不变。
(5) 变：条件改变，原平衡被破坏，在新条件下建立新的平衡。
3、化学平衡状态的判定
(1) A的生成速率和分解速率相等
(2) 单位时间生成n ml B和p ml C的同时，生成m ml A
(3) A、B、C的物质的量不再改变
(4) A、B、C的浓度不再改变
(5) A、B、C的百分含量不再改变
4. 反应物的转化率（格式如下）
化学平衡计算的一般步骤：“三步曲”
① 写出有关平衡的化学方程式
② 找出各物质的 起始量 转化量 平衡量
③ 根据已知条件列式：如下
平衡1 不平衡 平衡2
V正 ＞V逆 平衡向正反应方向移动
V正 ＞V逆 平衡不移动
V正 ＜ V逆 平衡向逆反应方向移动
定义：可逆反应中，旧化学平衡的破坏，新化学平衡建立过程叫做化学平衡的移动。
任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度只是不同反应的限度不同。改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度，亦即改变该反应的化学平衡状态。因此，通过调控反应条件可使反应结果更好地符合人们预期的目的，这在工农业生产和环境保护等方面已经得到广泛的应用。
1、浓度对化学平衡的影响
增大反应物浓度或减小生成物浓度，平衡向正反应方向移动；增大生成物浓度或减小反应物浓度，平衡向逆反应方向移动；
在生产上，往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法，使成本较高的原料得到充分利用。
2、温度对化学平衡的影响
结论：其它条件不变的情况下，温度升高，平衡向吸热反应方向移动；温度降低，平衡向放热反应方向移动。
3.催化剂对化学平衡无影响
催化剂同等程度的加快或减慢正、逆反应速率(V正＝V逆)；对化学平衡无影响。
催化剂能缩短平衡到达的时间
2. 在一定条件下，某容器中充入 N2 和 H2 合成 NH3，以下叙述错误的是 ( )。A.开始反应时，正反应速率最大，逆反应速 率为零B.随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后减小为零C.随着反应的进行逆反应速率逐渐增大，后保持恒定D.随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，最后与逆反应速率相等且都保持恒定
在生产和生活中，人们希望促进有利的化学反应(提高反应速率，提高反应物的转化率即原料的利用率)，抑制有害的化学反应 (降低反应速率，控制副反应的发生减少甚至消除有害物质的产生 )，这就需要进行化学反应条件的控制。
在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本和实际可能性。
例如，合成氨的生产在温度较低时，氨的产率较高；压强越大，氨的产率越高。但温度低，反应速率小，需要很长时间才能达到化学平衡，生产成本高，工业上通常选择在400~500C下进行。而压强越大，对动力和生产设备的要求也越高，合成氨厂随着生产规模和设备条件的不同，采用的压强通常为10 MPa~30 MPa。
为提高燃料的燃烧效率，应如何调控燃烧反应的条件? (提示：可以从以下几方面考虑，如燃料的状态空气用量、炉膛材料、烟道废气中热能的利用，等等。)
具体措施尽可能的使燃料充分燃烧，提高能量的转化率，关键是燃料与空气或氧气要尽可能充分的接触，且空气要适当过量。燃料与空气要有足够大的接触面积。尽可能充分地利用燃料燃烧所放出来的热能，提高热能的利用率。实质是从多方面控制燃烧反应的条件，它的意义在于节约能源，节省资源，减少污染等。
高炉炼铁的主要反应是：
其中产生CO的反应是：
生产中炼制生铁所需焦炭的实际用量远高于按照化学方程式计算所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO。开始，炼铁工程师们认为是CO与铁矿石接触不充分造成的，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中CO的比例竟然没有改变。这成了炼铁技术中的科学悬念，人们一直在探究其中的原因。
直到19世纪下半叶，法国化学家勒夏特列 (H. -L. Le Chatelier， 1850-1936) 经过深入的研究，才将这一谜底揭开。 原来，产生上述现象的原因是：是一个可逆反应，并且自下而上发生在高炉中有焦炭的地方。后来的研究证明，在高炉中 Fe2O3与CO反应也不能全部转化为Fe和CO2。
1. (课本49第4题) 在一定条件下，某可逆反应的正反应速率和逆反应速率随时间变化的曲线如下图所示。下列有关说法正确的是 ( )A. t1时刻，反应逆向进行 B. t2时刻，正反应速率大于逆反应速率C. t3时刻，到达反应进行的限度 D. t4时刻，反应处于平衡状态
2. (课本50第5题)下列关于化学平衡状态的叙述错误的是 ( )A.化学平衡是所有可逆反应都存在的一种状态B.在给定条件下，达到平衡式可逆反应完成程度达到最大C.达到平衡时，正、逆反应速率均为零D.达到平衡时，但鹦鹉和生成物的浓度不再发生变化
4. (课本50第7题)工业制取硫酸中的一步重要反应是 SO2 在400~500℃下的催化氧化：这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行，下列说法错误的是 ( ) A. 使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B. 在上述条件下，SO2不可能100%地转化为SO3 C. 提高反应时的温度，可以实现SO2的完全转化 D. 通过调控反应条件，可以提高该反应进行的程度
1. 请根据已有知识和经验填写下表。
8. 日常生活中的下列做法，与调控反应速率有关的是_________ ( 填序号 )，请利用本节所学知识进行解释。① 食品抽真空包装② 在铁制品表面刷油漆③ 向门窗合页里注油④ 用冰箱冷藏食物
9. 某课外实验小组利用压强传感器、数据采集器和计算机等数字化实验设备，探究镁与不同浓度盐酸的反应速率，两组实验所用试剂如下：
(1) 试说明该图中曲线的含义。(2) 结合实验条件，分析两条曲线的区别。
解：曲线表示不同浓度的盐酸与镁条反应时，产生气体的压强随着时间的变化关系，曲线斜率可表征反应速率。
(1) 试说明该图中曲线的含义。
解：两个实验中盐酸均过量，镁条均不足，理论上若时间足够长，最终反应生成的气体的量应该相同。实际上，实验1中氢离子的浓度大，反应速率快，表现在图像上其曲线斜率大，相同时间内比实验2生成的气体多，压强大。
(2) 结合实验条件，分析两条曲线的区别。
10. 在许多食品外包装上都有类似下图所示的说明，你能用化学反应速率的知识加以解释吗?你还能找出类似的例子吗?
解：温度越低，反应速率越慢，所以温度越低保质期越长，将物品放入冰箱保存的目的是降低温度，减小反应速率；例如超市的奶制品通常陈列在冰柜里。
11. 在通常情况下，面粉并不会发生爆炸。但是，当面粉在相对密闭的空间内悬浮在空气中，达到一定浓度时，遇火却会发生剧烈的反应，导致爆炸。试用本节所学的知识对此作出解释。
解：当面粉弥漫在空气中，细小的面粉颗粒与空气中的氧气的接触面积大大增加，一旦遇到明火，就会剧烈反应，导致爆炸。
12. 实验室通常用大理石(或石灰石) 与稀盐酸反应制取二氧化碳，不用纯碱与盐酸或硫酸反应制取二氧化碳的考虑是：(1)纯碱比大理石(或石灰石)成本高，不经济；(2) 反应速率太快，难以控制和收集产物。反应速率可以通过改变反应条件来控制。作为研究，请你提出用纯碱与盐酸反应制取二氧化碳的适宜途径，并用实验来检验你的设计。
解：在锥形瓶中放入适量的纯碱固体，上塞双孔塞孔插入分液漏斗，一孔插入导气管，实验室时，可通过分液漏斗调节注入稀盐酸的量，观察气体生成，从而达到控制反应的目的。