高中化学第二节 化学反应的速率与限度导学案

这是一份高中化学第二节 化学反应的速率与限度导学案，共7页。

1．“变量控制法”的简介
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，探究温度对化学反应速率的影响时，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。
2．常见考查形式
(1)以表格的形式给出多组实验数据，让同学们找出每组数据的变化对化学反应速率的影响。
(2)给出影响化学反应速率的几种因素，让同学们设计实验并分析各因素对化学反应速率的影响。
3．解题策略
(1)确定变量：解答这类题目时首先要认真审题，找出影响实验探究结果的因素。
(2)定多变一：在探究时，应先控制其他的因素不变，只改变一种因素，探究这种因素与所探究问题的关系，然后按此方法依次分析其他因素与所探究问题的关系。
(3)数据有效：解答时注意选择的数据(或设置的实验)要有效，且变量统一，否则无法作出正确判断。
【典例1】 为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列的实验。将表中所给的混合溶液分别加入6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间。
(1)请完成此实验设计，其中：V1＝______，V6＝______，V9＝________。
(2)该同学最后得出的结论为当加入少量CuSO4溶液时，生成氢气的速率会大大提高，但当加入的CuSO4溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降。请分析氢气生成速率下降的主要原因：___________________________。
[解析] (1)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，则硫酸的浓度应该是相同的，因此最终溶液的体积必需相等，A组中硫酸为30 mL，那其他组硫酸也为30 mL，根据表中数据可知总体积是50 mL，则V1＝30，V6＝50－10－30＝10，V9＝50－30－2.5＝17.5。
(2)当加入一定量的CuSO4后，生成的单质Cu会沉积在Zn的表面，降低了Zn与H2SO4溶液的接触面积，且H2SO4溶液的浓度变得较小，因此反应速率会减小。
[答案] (1)30 10 17.5
(2)当加入一定量的CuSO4后，生成的单质Cu会沉积在Zn的表面，降低了Zn与H2SO4溶液的接触面积，且H2SO4溶液的浓度变得较小
1．不同条件下，用O2氧化一定浓度的FeCl2溶液过程中所测得的实验数据如图所示。下列分析或推测不合理的是( )
A．一定时间内，Fe2＋的氧化率随时间延长而逐渐增大
B．由②和③可知，pH越大，Fe2＋氧化速率越快
C．由①和③可知，温度越高，Fe2＋氧化速率越快
D．氧化过程的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O
B [由图像可知，一定时间内，Fe2＋的氧化率随时间延长而逐渐增大，故A正确；由②和③可知，当温度相同而pH不同时，pH越大，Fe2＋的氧化速率越慢，故B错误；由①和③可知，当pH相同而温度不同时，温度越高，Fe2＋的氧化速率越快，故C正确；在酸性条件下，Fe2＋和氧气、氢离子反应生成Fe3＋和H2O，反应的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O，故D正确。]
2．下表是稀硫酸与某金属反应的实验数据。
分析上述数据，回答下列问题：
(1)实验4、5表明________________________对反应速率有影响，______________，反应速率越大，能表明同一规律的实验还有________。
(2)仅表明反应物浓度会对反应速率产生影响的实验有____________________。
(3)本实验中影响反应速率的其他因素还有_________________________，其实验序号是______________。
(4)实验中的所有反应，反应前后溶液的温度变化值(约15 ℃)相近，推测其原因：_____________________。
[解析] (1)比较实验4和5：金属质量相等，硫酸浓度相同，反应前溶液温度相同，粉末状金属比丝状金属反应快，这说明固体反应物的表面积对反应速率有影响，固体与液体的接触面积越大，反应速率越快。类似实验还有1和2。(2)其他条件相同，浓度不同的实验有实验1、3、4、6、8和实验2、5。(3)要表明反应温度对反应速率有影响，应控制其他条件相同，仅温度不同，如实验6、7和实验8、9。(4)由表中数据可知，金属质量相等，即一定质量的金属与足量的稀硫酸反应放出的热量相同。
[答案] (1)固体反应物的表面积 表面积越大 1、2 (2)1、3、4、6、8和2、5 (3)反应温度 6、7和8、9 (4)稀硫酸过量，等量的金属完全反应，放出的热量相等
“三段式”突破反应速率与平衡的有关计算模型
mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)
起始/ml a b 0 0
转化/ml mx nx px qx
平衡/ml a－mx b－nx px qx
1．v(A)＝eq \f(mx,V·Δt)，v(B)＝eq \f(nx,V·Δt)
2．平衡转化率：α(A)＝eq \f(mx,a)×100%
α(B)＝eq \f(nx,b)×100%
3．气体体积分数(物质的量分数)
φ(A)＝eq \f(a－mx,a＋b＋px＋qx－mx－nx)×100%，
φ(D)＝eq \f(qx,a＋b＋px＋qx－mx－nx)×100%。
【典例2】 在一定温度下，发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，起始时，充入的N2和H2的物质的量分别是3.0 ml和6.0 ml，10 min达到平衡，平衡时生成NH3的物质的量是2.4 ml。已知容器的容积为5.0 L，试求：
(1)达到平衡时，v(H2)＝________________。
(2)H2的转化率是________。
(3)平衡时混合气体中N2的体积分数是________(保留一位小数)。
[解析] N2(g) ＋ 3H2(g) 2NH3(g)
起始 3.0 ml 6.0 ml 0 ml
转化 1.2 ml 3.6 ml 2.4 ml
平衡 1.8 ml 2.4 ml 2.4 ml
(1)v(H2)＝eq \f(3.6 ml,5.0 L×10 min)＝0.072 ml/(L·min)
(2)H2的转化率＝eq \f(3.6 ml,6.0 ml)×100%＝60%。
(3)N2的体积分数＝eq \f(1.8 ml,1.8＋2.4＋2.4ml)×100%≈27.3%。
[答案] (1)0.072 ml/(L·min) (2)60% (3)27.3%
3．在10 L密闭容器中，1 ml A和3 ml B在一定条件下反应：A(g)＋xB(g)2C(g)，2 min后反应达到平衡时，测得混合气体共3.4 ml，生成0.4 ml C，则下列计算结果正确的是( )
A．平衡时，物质的量之比n(A)∶n(B)∶n(C)＝2∶11∶4
B．x等于3
C．A的转化率为20%
D．B的平均反应速率为0.4 ml·L－1·min－1
C [ A(g)＋xB(g)2C(g)
起始物质的量/ml 1 3 0
转化物质的量/ml 0.2 0.2x 0.4
平衡物质的量/ml 0.8 3－0.2x 0.4
则0.8 ml＋(3－0.2x) ml＋0.4 ml＝3.4 ml，解得x＝4，B错；平衡时，物质的量之比为0.8∶(3－0.8)∶0.4＝4∶11∶2，A错；A的转化率为eq \f(0.2 ml,1 ml)×100%＝20%，C正确；v(B)＝eq \f(0.8 ml,10 L)÷2 min＝0.04 ml·L－1·min－1，D错。]
4．已知反应：2X(g)＋Y(g)2Z(g)，某研究小组将4 ml X和2 ml Y置于一恒容的密闭容器中，测定不同时段内X的转化率，得到的数据如表所示，下列说法正确的是( )
A．随着反应的进行，混合气体的密度不断增大
B．反应在5.5 min时，v正(X)＝v逆(Z)
C．6 min时，容器中剩余1.4 ml Y
D．其他条件不变时，将X的物质的量改为10 ml，则可得4 ml Z
B [反应过程中气体的总质量和总体积均不变，则随着反应的进行，混合气体的密度始终不变，A项错误；转化率不变时反应达到平衡状态，则反应在5.5 min时，v正(X)＝v逆(Z)，B项正确；6 min时消耗X的物质的量为4 ml×70%＝2.8 ml，根据化学方程式可知消耗Y的物质的量为1.4 ml，容器中剩余0.6 ml Y，C项错误；其他条件不变时，将X的物质的量改为10 ml，Y只有2 ml，若Y完全反应，则生成4 ml Z，又该反应是可逆反应，故不可能得到4 ml Z，D项错误。]
1．把下列四种X溶液分别加入四个盛有10 mL 2 ml·L－1盐酸的烧杯中，均加水稀释到50 mL，此时，X和盐酸缓慢地进行反应，其中反应最快的是( )
A．10 ℃ 20 mL 3 ml·L－1的X溶液
B．20 ℃ 30 mL 2 ml·L－1的X溶液
C．20 ℃ 10 mL 4 ml·L－1的X溶液
D．10 ℃ 10 mL 2 ml·L－1的X溶液
B [计算出稀释后的四种溶液中X的物质的量，由于最后溶液的体积都为50 mL，则X的物质的量越大，X的浓度越大，而一般情况下，浓度越大、温度越高，反应速率越快。A溶液中X的物质的量为0.02 L×3 ml·L－1＝0.06 ml；B溶液中X的物质的量为0.03 L×2 ml·L－1＝0.06 ml；C溶液中X的物质的量为0.01 L×4 ml·L－1＝0.04 ml；D溶液中X的物质的量为0.01 L×2 ml·L－1＝0.02 ml。显然四种情况下，X的浓度：A＝B＞C＞D，而温度：B＝C＞A＝D，故B的反应速率最快。]
2．X、Y、Z三种气体，取X和Y按1∶1的物质的量之比混合，放入密闭容器中发生反应：X(g)＋2Y(g)2Z(g)，达到平衡后，测得混合气体中反应物的总物质的量与生成物的总物质的量之比为3∶2，则Y的转化率最接近于( )
A．33% B．40% C．50% D．66%
D [假设X和Y起始物质的量均为1 ml，达平衡时消耗Y物质的量为n ml，则：
X(g) ＋ 2Y(g)2Z(g)
起始量/ml: 1 1 0
变化量/ml: 0.5n n n
平衡量/ml: 1－0.5n 1－n n
平衡后，测得混合气体中反应物的总物质的量与生成物的总物质的量之比为3∶2，则(1－0.5n＋1－n)∶n＝3∶2，解得n＝eq \f(2,3)，Y的转化率＝eq \f(\f(2,3) ml,1 ml)×100%≈67%。]
3．等质量的碳酸钙与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测得在不同时间(t)内产生的气体体积(V)如图所示，根据图示分析实验条件，下列说法一定不正确的是( )
A．第4组实验的反应最慢
B．第1组实验中盐酸的浓度可能大于2.5 ml·L－1
C．第2组实验中盐酸的浓度可能等于2.5 ml·L－1
D．第3组实验的反应温度低于30 ℃
D [由题图可知，第4组实验的反应最慢，故A项正确；第1组实验的反应比第4组的快，第1、4组实验相比，温度相同，第1组固体反应物的表面积更大，故第1组实验中盐酸的浓度可能等于或大于2.5 ml·L－1，甚至可以小于2.5 ml·L－1，故B项正确；第2组实验的反应比第4组的快，第2、4组实验相比，温度相同，第2组固体反应物的表面积更大，故第2组实验中盐酸的浓度可能等于或大于2.5 ml·L－1，甚至可以小于2.5 ml·L－1，故C项正确；第3组实验的反应比第4组的快，第3、4组实验相比，浓度、固体反应物的表面积相同，温度越高，反应越快，则第3组实验的反应温度高于30 ℃，故D项错误。]
4．在容积可变的密闭容器中，2 ml N2和8 ml H2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于( )
A．5% B．10% C．15% D．20%
C [达到平衡时，H2转化的物质的量为8 ml×25%＝2 ml。在一定条件下，N2与H2发生反应：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
起始物质的量/ml 2 8 0
转化物质的量/ml eq \f(2,3) 2 eq \f(4,3)
平衡物质的量/ml eq \f(4,3) 6 eq \f(4,3)
同温同压下，气体的体积比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为eq \f(\f(4,3) ml,\f(4,3) ml＋6 ml＋\f(4,3) ml)×100%≈15%。]
5．(素养题)对于H2O2分解反应，Cu2＋也有一定的催化作用。为比较Fe3＋和Cu2＋对H2O2分解的催化效果，该化学兴趣小组的同学分别设计了如图甲、乙所示的实验。请回答相关问题：
(1)定性分析：如图甲可通过观察_________________，定性比较得出结论；甲图中用0.05 ml·L－1 Fe2(SO4)3和0.1 ml·L－1 CuSO4的目的是________________________。
(2)定量分析：用图乙所示装置做对照实验，实验时均以3 min为准，其他可能影响实验的因素均已忽略。实验中需要测量的数据是______________________，所需仪器为________。
[解析] (1)如图甲可通过观察溶液中产生气泡的速率，定性比较得出结论。(2)用图乙所示装置做对照实验，实验时均以3 min为准，其他可能影响实验的因素均已忽略，则实验中需要测量的数据是在同温同压下，反应3 min收集的气体体积。所需仪器为计时仪器，可以是秒表或计时器。
[答案] (1)溶液中产生气泡的速率 保证c(Fe3＋)和c(Cu2＋)相同 (2)在同温同压下，反应3 min收集的气体体积 秒表(或计时器)探 究 任 务
1．“变量控制法”调控反应速率。
2．反应速率、平衡的有关计算。
“变量控制法”调控反应速率
实验混合溶液
A
B
C
D
E
F
4 ml·L－1H2SO4/mL
30
V1
V2
V3
V4
V5
饱和CuSO4溶液/mL
0
0.5
2.5
5
V6
20
H2O/mL
V7
V8
V9
V10
10
0
实验
序号
金属质量/g
金属状态
c(H2SO4)
/(ml·L－1)
V(H2SO4)
/mL
溶液温度/℃
金属
消失
的时
间/s
反
应
前
反
应
后
1
0.10
丝
0.5
50
20
34
500
2
0.10
粉末
0.5
50
20
35
50
3
0.10
丝
0.7
50
20
36
250
4
0.10
丝
0.8
50
20
35
200
5
0.10
粉末
0.8
50
20
36
25
6
0.10
丝
1.0
50
20
35
125
7
0.10
丝
1.0
50
35
50
50
8
0.10
丝
1.1
50
20
34
100
9
0.10
丝
1.1
50
30
44
40
化学反应速率与平衡的有关计算
t/min
2
4.5
5
6
X转化率
30%
40%
70%
70%
组别
对应
曲线
c(HCl)/
(ml·L－1)
反应温度/℃
碳酸钙的状态
1
a
30
粉末状
2
b
30
粉末状
3
c
2.5
块状
4
d
2.5
30
块状