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2020版新一线高考化学（鲁科版）一轮复习教学案：第1部分第7章第3节化学反应速率工业合成氨
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第3节 化学反应速率 工业合成氨
考纲定位
核心素养
1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法。能正确计算化学反应的转化率(α)。
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、生产和科研领域中的重要作用。
1.变化观念——从化学反应的快慢和影响快慢因素认识化学反应与变化。
2.模型认知——从碰撞理论模型认识影响反应速率的因素。
3.科学探究——设计并优化化学反应速率影响因素的探究。
4.证据推理——认识化学反应速率和转化率的计算。
考点一| 化学反应速率的有关计算
1．化学反应速率
提醒：(1)化学反应速率一般指平均速率而不是某一时刻的瞬间速率，且无论用反应物还是用生成物表示均取正值；(2)同一化学反应，相同条件下用不同物质表示反应速率，其数值可能不同，但表示的意义可能相同；(3)不能用固体或纯液体物质表示化学反应速率，因为固体或纯液体物质的浓度视为常数。
2．化学反应速率与系数的定量规律
对于已知反应mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)，其化学反应速率可用不同的反应物或生成物来表示，当单位相同时，化学反应速率的数值之比等于化学方程式中各物质的系数之比，即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q或v(A)＝v(B)＝v(C)＝v(D)。
如：一定温度下，在密闭容器中发生反应：3A(g)＋B(g)2C(g)。已知v(A)＝0.6 mol·L－1·s－1，则v(B)＝0.2 mol·L－1·s－1，v(C)＝0.4
mol·L－1·s－1。
[深度归纳] 化学反应快慢比较方法
(1)同一物质比较法。换算成用同一物质表示的速率，再比较数值的大小。
(2)比值比较法。比较化学反应速率与系数的比值，即对于一般反应aA(g)＋bB(g)===cC(g)＋dD(g)，比较与，若>，则A表示的化学反应速率比B表示的大。
注：单位必须统一。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加。( )
(2)由v＝计算平均速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值。( )
(3)对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，v(N2)＝1 mol·L－1·s－1与v(NH3)＝
1 mol·L－1·s－1表示的反应快慢相同。( )
(4)对于反应4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(l)，v(NO)与v(O2)的关系为4v(NO)＝5v(O2)。( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)×
2．某温度时，在2 L容器中X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。由此分析：
(1)该反应的化学方程式为__________________________________。
(2)从反应开始至2 min时，Z的反应速率为___________________
_____________________________________________________。
(3)对于上述反应，在不同时间段内所测反应速率如下，则表示该化学反应进行最快的是________。
A．v(X)＝1.2 mol·L－1·min－1
B．v(Y)＝1.5 mol·L－1·min－1
C．v(Z)＝0.6 mol·L－1·min－1
D．v(Z)＝0.015 mol·L－1·s－1
答案：(1)3Y(g)＋Z(g)2X(g)
(2)0.025 mol·L－1·min－1 (3)D
考法☆ 化学反应速率的有关计算
1．(2019·淄博模拟)将6 mol CO2和8 mol H2充入一容积为2 L的密闭容器中(温度保持不变)发生反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH<0。测得H2的物质的量随时间变化如图所示(图中字母后的数字表示对应的坐标)。该反应在3～8 min内CO2的平均反应速率是( )
A．0.5 mol·L－1·min－1
B．0.1 mol·L－1·min－1
C．0.033 mol·L－1·min－1
D．0.125 mol·L－1·min－1
C [v(H2)＝＝0.1 mol·L－1·min－1可知v(CO2)＝v(H2)≈0.033 mol·L－1·min－1。]
2．将2 mol X和2 mol Y充入2 L密闭容器中发生如下反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)＋aQ(g)，2 min后达到平衡时生成0.8 mol Z，测得Q的浓度为0.4 mol·L－1，下列叙述错误的是( )
A．a的值为2
B．平衡时X的浓度为0.2 mol·L－1
C．Y的转化率为60%
D．反应速率v(Y)＝0.3 mol·(L·min)－1
B [ X(g)＋3Y(g) 2Z(g)＋aQ(g)
始态/(mol·L－1) 1 1 0 0
反应的量/(mol·L－1) 0.2 0.6 0.4 0.4
终态/(mol·L－1) 0.8 0.4 0.4 0.4
由已知量(无下划线)可求出其他未知量(带下划线)，在做这种类型的题时，一定要注意，方程式中的量要统一，一般用物质的量浓度。
A项，2∶a＝0.4∶0.4，a＝2；B项，c(X)＝0.8 mol·L－1；C项，α(Y)＝×100%＝60%；D项，v(Y)＝＝
0.3 mol·(L·min)－1。]
[思维建模] “三段式”求算v(X)、α模板
根据已知条件列方程式计算。
例如，反应 mA(g) ＋ nB(g) pC(g)
①t0 s/mol·L－1 a b 0
②转化/mol·L－1 x
③t1 s/mol·L－1 a－x b－
v(A)＝，v(B)＝，v(C)＝，
α(A)＝×100%。
考点二| 化学反应速率的影响因素
1．化学反应速率的影响因素
(1)内因(主要因素)
反应物本身的性质，如Na、Mg、Al与水反应的速率由大到小的顺序为：Na>Mg>Al。
(2)外因(其他条件不变，只改变一个条件)
2．理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
(2)有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
(3)活化能：发生化学反应的所需最低能量。使用催化剂可以降低反应的活化能。活化能越低，反应速率越大。
(4)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
[深度归纳] 注意外界因素对化学反应速率的影响
(1)改变固体或纯液体反应物的用量，化学反应速率不变。
(2)催化剂在化学反应过程中参与了反应，降低了正、逆反应的活化能，同等程度改变正、逆反应速率，但不会改变反应的限度和反应热。
(3)升高温度正反应速率和逆反应速率都加快，但加快的程度不同；降低温度正反应速率和逆反应速率都减慢，但减慢的程度不同。
(4)压强对速率的影响是通过改变体积而使浓度改变来实现的。对于气体反应，有如下3种情况：
①恒温时，压缩体积压强增大反应物浓度增大反应速率加快。
②恒温恒容：充入“惰性气体”总压强增大，但各物质的浓度不变(活化分子浓度不变)，反应速率不变。
③恒温恒压：充入“惰性气体”体积增大各反应物浓度减小(活化分子浓度减小)反应速率减慢。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)升高温度，可以增大活化分子百分数。( )
(2)可逆反应达到平衡后，增大反应物的浓度，正反应速率增大，逆反应速率减小。( )
(3)对有气体参加的反应体系，缩小容器体积，能够增大活化分子的百分含量，所以反应速率增大。( )
(4)对于C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)，增加C的量，可以增大反应速率。( )
答案：(1)√ (2)× (3)× (4)×
2．(1) 对于Fe(s)＋2HCl(aq)===FeCl2(aq)＋H2(g)，改变下列条件对生成氢气的速率有何影响？(填“增大”“减小”或“不变”)
①升高温度：________；②增大盐酸浓度：________；
③增大铁的质量：________；④增加盐酸体积：________；
⑤把铁片改成铁粉：________；⑥滴入几滴CuSO4溶液：________；⑦加入NaCl固体：________。
(2)在一定温度下，一定体积的恒容体系中发生反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若向体系中通入氖气，则化学反应速率如何变化？________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案：(1)①增大 ②增大 ③不变 ④不变 ⑤增大 ⑥增大 ⑦不变 (2)不变
考法1 化学反应速率的影响因素
1．中国首条“生态马路”在上海复兴路隧道建成，它运用了“光触媒”技术，在路面涂上一种光催化剂涂料，可将汽车尾气中45%的NO和CO转化成N2和CO2。下列对此反应的叙述中正确的是( )
A．使用光催化剂不改变反应速率
B．使用光催化剂能增大NO的转化率
C．升高温度能加快反应速率
D．改变压强对反应速率无影响
C [催化剂可以改变反应速率，但不影响反应的转化率，A、B错误；对气体参加的反应，改变压强可以改变反应速率，D错误。]
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) ΔH＜0。下列说法正确的是( )
A．保持容器容积不变，向其中加入1 mol H2(g)，反应速率一定加快
B．保持容器容积不变，向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)，反应速率一定加快
C．保持容器内气体压强不变，向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)，反应速率一定加快
D．保持容器内气体压强不变，向其中加入1 mol H2(g)和1 mol I2(g)，再次平衡时反应速率一定加快
A [增加反应物的浓度，反应速率加快，A项正确；加入氮气，因为容器体积不变，反应体系中各气体的浓度不变，故反应速率不变，B项错误；保持压强不变，加入氮气，容器体积增大，反应体系中各气体的浓度减小，反应速率减小，C项错误；保持压强不变，再次充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g)，则容器容积增大为原来的2倍，再次平衡时反应体系中各气体的浓度不变，反应速率不变，D项错误。]
考法2 可逆反应的v(正)、v(逆)的影响问题分析
3．在恒温恒容密闭容器中的可逆反应：A(g)＋3B(g)2C(g) ΔH<0，下列叙述错误的是( )
A．升高温度，v(正)、v(逆)都增大，但v(逆)增加的程度更大
B．增大压强，v(正)、v(逆)都增大，但v(正)增加的程度更大
C．增大A的浓度，v(正)会增大，但v(逆)会减小
D．使用催化剂，一般v(正)、v(逆)同时增大，而且增大的倍数相同
C [根据方程式可知，正反应是放热反应，所以升高温度，正、逆反应速率都是增大的，但逆反应速率增加的程度更大，A正确；正反应是气体分子数减小的反应，所以增大压强，正、逆反应速率都是增大的，但正反应速率增加的程度更大，平衡向正反应方向移动，B正确；增大反应物的浓度，正反应速率突然增大，而逆反应速率瞬间不变，后逐渐增大，平衡向正反应方向移动，C错误；催化剂可同等程度改变正、逆反应速率，D正确。]
4．(2019·长沙模拟)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，在反应过程中，正反应速率的变化如图所示：
下列说法正确的是( )
A．t1时升高了温度
B．t2时使用了催化剂
C．t3时增大了压强
D．t4时降低了温度
B [升温，正、逆反应速率同时增大，但由于该反应是放热反应，逆反应速率增加的幅度更大一些，A错误；加压，正、逆反应速率同时增加，C错误；降温，正、逆反应速率瞬间减小，D错误。]
[思维建模]
vt图模型(以2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH<0)
t1：增大SO2或O2的浓度，t2：降低温度，
t3：增大压强，t4：使用催化剂
考点三| 化学反应条件的优化——工业合成氨
1．化工生产适宜条件选择的一般原则
条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
①增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
②循环操作
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意催化剂的活性对温度的限制
2．工业合成氨
(1)反应特点
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，ΔS<0。
(2)合成氨适宜条件的选择
①降低温度，有利于合成氨反应正向移动，但温度越低，反应速率越慢，且催化剂的活性有一个适宜的温度。工业合成氨选用温度以700_K左右为宜；
②增大压强，有利于合成氨反应正向移动，但压强越大，对设备的要求越高，成本越大。工业合成氨的压强大致可分为低压(1×107 Pa)、中压(2×107～3×107 Pa)和高压(8.5×107～1×108 Pa)三种类型；
③使用催化剂，能大幅度提高反应速率，工业合成氨用铁做催化剂；
④按N2与H2的物质的量之比为1∶2.8投料并及时分离出NH3。
考法☆ 化工生产适宜条件选择
1．(2019·陕西名校联考)在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是( )
A．ΔH1<0，ΔH2>0
B．增大压强有利于加快合成反应的速率
C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率
D．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
C [根据图像可以看出，温度越高，CO的产率越高，CH3OH的产率越低。]
2．(2016·全国卷Ⅱ，节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。
回答下列问题：
(1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：
①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·mol－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)
ΔH＝－353 kJ·mol－1
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是_____________________________
___________________________________________________________；
高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。
A．催化剂活性降低
B．平衡常数变大
C．副反应增多
D．反应活化能增大
图(a) 图(b)
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为________，理由是_________________
___________________________________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
解析：
＝1.0→丙烯腈的产率最高，根据反应①n(氨)∶n(O2)＝1∶1.5，故n(氨)∶n(空气)＝1∶(1.5×5)＝1∶7.5。
答案：(1)降低温度、降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
专项突破(18) “控制变量法”探究反应速率的影响因素
1．确定变量
解答这类题目时首先要认真审题，理清影响实验探究结果的因素有哪些。
2．定多变一
在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
3．数据有效
解答时注意选择数据(或设置实验)要有效，且变量统一，否则无法作出正确判断。
1．为了探究温度、硫酸铜对锌与稀硫酸反应生成氢气速率的影响，某同学设计了如下方案：
编号
纯锌粉质量
0.2 mol·L－1稀硫酸体积
温度
硫酸铜固体质量
Ⅰ
2.0 g
10.0 mL
25 ℃
0
Ⅱ
2.0 g
10.0 mL
t ℃
0
Ⅲ
2.0 g
10.0 mL
35 ℃
0.2 g
Ⅳ
2.0 g
10.0 mL
35 ℃
4.0 g
下列推断合理的是( )
A．选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响，必须控制t＝25
B．待测物理量是收集等体积(相同条件)的气体所需要的时间，时间越长，反应越快
C．根据该方案，还可以探究稀硫酸浓度对反应速率的影响
D．根据该实验方案得出反应速率的大小可能是Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ
D [A项，根据控制变量法，若选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响，Ⅱ的温度必须控制在35 ℃，错误；B项，收集相同条件下等体积的气体所需的时间越长，则反应速率越慢，错误；C项，题中各组实验中稀硫酸的浓度均相同，故无法探究稀硫酸浓度对反应速率的影响，错误；D项，本题影响反应速率大小的主要因素是温度和硫酸铜固体的质量，由A项分析可知实验Ⅱ的温度应为35 ℃，则反应速率Ⅱ>Ⅰ，实验Ⅲ中锌与置换出的铜及稀硫酸构成原电池，使Ⅲ的反应速率比Ⅱ的快，实验Ⅳ中CuSO4用量过多，置换出的铜可能覆盖在锌表面而阻止反应的进行，从而使Zn与H2SO4反应速率大大减小，故四个反应的反应速率的大小关系可能为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ，正确。]
2．下表为某学生进行的两组实验：
反应物
Na2S2O3溶液
H2SO4溶液
水
甲
0.1 mol·L－1
10 mL
0.1 mol·L－1
10 mL
5 mL
乙
0.2 mol·L－1
5 mL
0.2 mol·L－1
5 mL
20 mL
若其他条件均相同，上述两组实验中，对应反应的反应速率关系为
( )
A．甲>乙 B．甲<乙
C．甲＝乙 D．无法判断
A [甲组溶液的总体积是25 mL，混合溶液中，甲组反应物的浓度c(Na2S2O3)＝c(H2SO4)＝＝0.04 mol·L－1；乙组溶液的总体积是30 mL，混合溶液中，乙组反应物的浓度c(Na2S2O3)＝c(H2SO4)＝≈0.033 mol·L－1。由于甲组中反应物的浓度较大，故在其他条件相同时，其反应速率较大，即甲组的反应速率大于乙组的反应速率，A项正确。]
3．为探究反应物浓度对化学反应速率的影响，设计的实验方案如下表：
实验
序号
体积V/mL
K2S2O8溶液
水
KI溶液
Na2S2O3溶液
淀粉溶液
①
10.0
0.0
4.0
4.0
2.0
②
9.0
1.0
4.0
4.0
2.0
③
8.0
Vx
4.0
4.0
2.0
表中Vx＝________mL，理由是______________________________
________________________________________________________。
解析：实验的目的是探究K2S2O8溶液的浓度对化学反应速率的影响，故应保证每组实验中其他物质的浓度相等，即溶液的总体积相等(即为20.0 mL)，从而可知Vx＝2.0 mL。
答案：2.0 保证反应物K2S2O8浓度的改变，而其他物质浓度不变
课堂反馈 真题体验
1．(2014·全国卷Ⅰ)已知分解1 mol H2O2放出热量98 kJ，在含少量I－的溶液中，H2O2分解的机理为：
H2O2＋I－―→H2O＋IO－ 慢
H2O2＋IO－―→H2O＋O2↑＋I－ 快
下列有关该反应的说法正确的是( )
A．反应速率与I－浓度有关
B．IO－也是该反应的催化剂
C．反应活化能等于98 kJ·mol－1
D．v(H2O2)＝v(H2O)＝v(O2)
A [A.将题给两个反应合并可得总反应为2H2O2===2H2O＋O2↑，该反应中I－作催化剂，其浓度的大小将影响该反应的反应速率。
B．该反应中IO－是中间产物，不是该反应的催化剂。
C．反应的活化能表示一个化学反应发生所需要的最小能量，分解1 mol H2O2放出98 kJ热量，不能据此判断该反应的活化能。
D．由反应速率与对应物质的系数的关系可知v(H2O2)＝v(H2O)＝2v(O2)。]
2．(2014·全国卷Ⅱ，节选)在容积为1.00 L的容器中，通入一定量的N2O4，发生反应N2O4(g)2NO2(g)，随温度升高，混合气体的颜色变深。
在0～60 s时段，反应速率v(N2O4)为________mol·L－1·s－1。
解析：由题图可知，0～60 s时段，N2O4的物质的量浓度变化为
0.060 mol·L－1，v(N2O4)＝＝0.001 0 mol·L－1·s－1。
答案：0.001 0
3．(2018·全国卷Ⅰ，T28节选)(1)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：
2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)
2N2O4(g)
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如下表所示(t＝∞时，N2O5(g)完全分解)：
t/min
0
40
80
160
260
1 300
1 700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1
研究表明，N2O5(g)分解的反应速率v＝2×10－3×pN2O5(kPa·min－1)。t＝62 min时，测得体系中pO2＝2.9 kPa，则此时的pN2O5＝________ kPa，v＝________ kPa·min－1。
(2)对于反应2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)，R.A.Ogg提出如下反应历程：
第一步 N2O5NO2＋NO3 快速平衡
第二步 NO2＋NO3―→NO＋NO2＋O2 慢反应
第三步 NO＋NO3―→2NO2 快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是________(填标号)。
A．v(第一步的逆反应)>v(第二步反应)
B．反应的中间产物只有NO3
C．第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效
D．第三步反应活化能较高
解析：(1)t＝62 min时，体系中pO2＝2.9 kPa，根据三段式法得
2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)
起始 35.8 kPa 0 0
转化 5.8 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
62 min 30.0 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
则62 min时pN2O5＝30.0 kPa，v＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2 kPa·min－1。
(2)快速平衡，说明第一步反应的正、逆反应速率都较大，则第一步反应的逆反应速率大于第二步反应的速率，A项正确；反应的中间产物除NO3外还有NO，B项错误；第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，C项正确；第三步反应快，说明反应的活化能较低，D项错误。
答案：(1)30.0 6.0×10－2 (2)AC
第3节 化学反应速率 工业合成氨
考纲定位
核心素养
1.了解化学反应速率的概念和定量表示方法。能正确计算化学反应的转化率(α)。
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、生产和科研领域中的重要作用。
1.变化观念——从化学反应的快慢和影响快慢因素认识化学反应与变化。
2.模型认知——从碰撞理论模型认识影响反应速率的因素。
3.科学探究——设计并优化化学反应速率影响因素的探究。
4.证据推理——认识化学反应速率和转化率的计算。
考点一| 化学反应速率的有关计算
1．化学反应速率
提醒：(1)化学反应速率一般指平均速率而不是某一时刻的瞬间速率，且无论用反应物还是用生成物表示均取正值；(2)同一化学反应，相同条件下用不同物质表示反应速率，其数值可能不同，但表示的意义可能相同；(3)不能用固体或纯液体物质表示化学反应速率，因为固体或纯液体物质的浓度视为常数。
2．化学反应速率与系数的定量规律
对于已知反应mA(g)＋nB(g)===pC(g)＋qD(g)，其化学反应速率可用不同的反应物或生成物来表示，当单位相同时，化学反应速率的数值之比等于化学方程式中各物质的系数之比，即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q或v(A)＝v(B)＝v(C)＝v(D)。
如：一定温度下，在密闭容器中发生反应：3A(g)＋B(g)2C(g)。已知v(A)＝0.6 mol·L－1·s－1，则v(B)＝0.2 mol·L－1·s－1，v(C)＝0.4
mol·L－1·s－1。
[深度归纳] 化学反应快慢比较方法
(1)同一物质比较法。换算成用同一物质表示的速率，再比较数值的大小。
(2)比值比较法。比较化学反应速率与系数的比值，即对于一般反应aA(g)＋bB(g)===cC(g)＋dD(g)，比较与，若>，则A表示的化学反应速率比B表示的大。
注：单位必须统一。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加。( )
(2)由v＝计算平均速率，用反应物表示为正值，用生成物表示为负值。( )
(3)对于N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，v(N2)＝1 mol·L－1·s－1与v(NH3)＝
1 mol·L－1·s－1表示的反应快慢相同。( )
(4)对于反应4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(l)，v(NO)与v(O2)的关系为4v(NO)＝5v(O2)。( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)×
2．某温度时，在2 L容器中X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。由此分析：
(1)该反应的化学方程式为__________________________________。
(2)从反应开始至2 min时，Z的反应速率为___________________
_____________________________________________________。
(3)对于上述反应，在不同时间段内所测反应速率如下，则表示该化学反应进行最快的是________。
A．v(X)＝1.2 mol·L－1·min－1
B．v(Y)＝1.5 mol·L－1·min－1
C．v(Z)＝0.6 mol·L－1·min－1
D．v(Z)＝0.015 mol·L－1·s－1
答案：(1)3Y(g)＋Z(g)2X(g)
(2)0.025 mol·L－1·min－1 (3)D
考法☆ 化学反应速率的有关计算
1．(2019·淄博模拟)将6 mol CO2和8 mol H2充入一容积为2 L的密闭容器中(温度保持不变)发生反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH<0。测得H2的物质的量随时间变化如图所示(图中字母后的数字表示对应的坐标)。该反应在3～8 min内CO2的平均反应速率是( )
A．0.5 mol·L－1·min－1
B．0.1 mol·L－1·min－1
C．0.033 mol·L－1·min－1
D．0.125 mol·L－1·min－1
C [v(H2)＝＝0.1 mol·L－1·min－1可知v(CO2)＝v(H2)≈0.033 mol·L－1·min－1。]
2．将2 mol X和2 mol Y充入2 L密闭容器中发生如下反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)＋aQ(g)，2 min后达到平衡时生成0.8 mol Z，测得Q的浓度为0.4 mol·L－1，下列叙述错误的是( )
A．a的值为2
B．平衡时X的浓度为0.2 mol·L－1
C．Y的转化率为60%
D．反应速率v(Y)＝0.3 mol·(L·min)－1
B [ X(g)＋3Y(g) 2Z(g)＋aQ(g)
始态/(mol·L－1) 1 1 0 0
反应的量/(mol·L－1) 0.2 0.6 0.4 0.4
终态/(mol·L－1) 0.8 0.4 0.4 0.4
由已知量(无下划线)可求出其他未知量(带下划线)，在做这种类型的题时，一定要注意，方程式中的量要统一，一般用物质的量浓度。
A项，2∶a＝0.4∶0.4，a＝2；B项，c(X)＝0.8 mol·L－1；C项，α(Y)＝×100%＝60%；D项，v(Y)＝＝
0.3 mol·(L·min)－1。]
[思维建模] “三段式”求算v(X)、α模板
根据已知条件列方程式计算。
例如，反应 mA(g) ＋ nB(g) pC(g)
①t0 s/mol·L－1 a b 0
②转化/mol·L－1 x
③t1 s/mol·L－1 a－x b－
v(A)＝，v(B)＝，v(C)＝，
α(A)＝×100%。
考点二| 化学反应速率的影响因素
1．化学反应速率的影响因素
(1)内因(主要因素)
反应物本身的性质，如Na、Mg、Al与水反应的速率由大到小的顺序为：Na>Mg>Al。
(2)外因(其他条件不变，只改变一个条件)
2．理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
(2)有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
(3)活化能：发生化学反应的所需最低能量。使用催化剂可以降低反应的活化能。活化能越低，反应速率越大。
(4)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
[深度归纳] 注意外界因素对化学反应速率的影响
(1)改变固体或纯液体反应物的用量，化学反应速率不变。
(2)催化剂在化学反应过程中参与了反应，降低了正、逆反应的活化能，同等程度改变正、逆反应速率，但不会改变反应的限度和反应热。
(3)升高温度正反应速率和逆反应速率都加快，但加快的程度不同；降低温度正反应速率和逆反应速率都减慢，但减慢的程度不同。
(4)压强对速率的影响是通过改变体积而使浓度改变来实现的。对于气体反应，有如下3种情况：
①恒温时，压缩体积压强增大反应物浓度增大反应速率加快。
②恒温恒容：充入“惰性气体”总压强增大，但各物质的浓度不变(活化分子浓度不变)，反应速率不变。
③恒温恒压：充入“惰性气体”体积增大各反应物浓度减小(活化分子浓度减小)反应速率减慢。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)升高温度，可以增大活化分子百分数。( )
(2)可逆反应达到平衡后，增大反应物的浓度，正反应速率增大，逆反应速率减小。( )
(3)对有气体参加的反应体系，缩小容器体积，能够增大活化分子的百分含量，所以反应速率增大。( )
(4)对于C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)，增加C的量，可以增大反应速率。( )
答案：(1)√ (2)× (3)× (4)×
2．(1) 对于Fe(s)＋2HCl(aq)===FeCl2(aq)＋H2(g)，改变下列条件对生成氢气的速率有何影响？(填“增大”“减小”或“不变”)
①升高温度：________；②增大盐酸浓度：________；
③增大铁的质量：________；④增加盐酸体积：________；
⑤把铁片改成铁粉：________；⑥滴入几滴CuSO4溶液：________；⑦加入NaCl固体：________。
(2)在一定温度下，一定体积的恒容体系中发生反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，若向体系中通入氖气，则化学反应速率如何变化？________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案：(1)①增大 ②增大 ③不变 ④不变 ⑤增大 ⑥增大 ⑦不变 (2)不变
考法1 化学反应速率的影响因素
1．中国首条“生态马路”在上海复兴路隧道建成，它运用了“光触媒”技术，在路面涂上一种光催化剂涂料，可将汽车尾气中45%的NO和CO转化成N2和CO2。下列对此反应的叙述中正确的是( )
A．使用光催化剂不改变反应速率
B．使用光催化剂能增大NO的转化率
C．升高温度能加快反应速率
D．改变压强对反应速率无影响
C [催化剂可以改变反应速率，但不影响反应的转化率，A、B错误；对气体参加的反应，改变压强可以改变反应速率，D错误。]
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) ΔH＜0。下列说法正确的是( )
A．保持容器容积不变，向其中加入1 mol H2(g)，反应速率一定加快
B．保持容器容积不变，向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)，反应速率一定加快
C．保持容器内气体压强不变，向其中加入1 mol N2(N2不参加反应)，反应速率一定加快
D．保持容器内气体压强不变，向其中加入1 mol H2(g)和1 mol I2(g)，再次平衡时反应速率一定加快
A [增加反应物的浓度，反应速率加快，A项正确；加入氮气，因为容器体积不变，反应体系中各气体的浓度不变，故反应速率不变，B项错误；保持压强不变，加入氮气，容器体积增大，反应体系中各气体的浓度减小，反应速率减小，C项错误；保持压强不变，再次充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g)，则容器容积增大为原来的2倍，再次平衡时反应体系中各气体的浓度不变，反应速率不变，D项错误。]
考法2 可逆反应的v(正)、v(逆)的影响问题分析
3．在恒温恒容密闭容器中的可逆反应：A(g)＋3B(g)2C(g) ΔH<0，下列叙述错误的是( )
A．升高温度，v(正)、v(逆)都增大，但v(逆)增加的程度更大
B．增大压强，v(正)、v(逆)都增大，但v(正)增加的程度更大
C．增大A的浓度，v(正)会增大，但v(逆)会减小
D．使用催化剂，一般v(正)、v(逆)同时增大，而且增大的倍数相同
C [根据方程式可知，正反应是放热反应，所以升高温度，正、逆反应速率都是增大的，但逆反应速率增加的程度更大，A正确；正反应是气体分子数减小的反应，所以增大压强，正、逆反应速率都是增大的，但正反应速率增加的程度更大，平衡向正反应方向移动，B正确；增大反应物的浓度，正反应速率突然增大，而逆反应速率瞬间不变，后逐渐增大，平衡向正反应方向移动，C错误；催化剂可同等程度改变正、逆反应速率，D正确。]
4．(2019·长沙模拟)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，在反应过程中，正反应速率的变化如图所示：
下列说法正确的是( )
A．t1时升高了温度
B．t2时使用了催化剂
C．t3时增大了压强
D．t4时降低了温度
B [升温，正、逆反应速率同时增大，但由于该反应是放热反应，逆反应速率增加的幅度更大一些，A错误；加压，正、逆反应速率同时增加，C错误；降温，正、逆反应速率瞬间减小，D错误。]
[思维建模]
vt图模型(以2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH<0)
t1：增大SO2或O2的浓度，t2：降低温度，
t3：增大压强，t4：使用催化剂
考点三| 化学反应条件的优化——工业合成氨
1．化工生产适宜条件选择的一般原则
条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
①增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
②循环操作
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意催化剂的活性对温度的限制
2．工业合成氨
(1)反应特点
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH<0，ΔS<0。
(2)合成氨适宜条件的选择
①降低温度，有利于合成氨反应正向移动，但温度越低，反应速率越慢，且催化剂的活性有一个适宜的温度。工业合成氨选用温度以700_K左右为宜；
②增大压强，有利于合成氨反应正向移动，但压强越大，对设备的要求越高，成本越大。工业合成氨的压强大致可分为低压(1×107 Pa)、中压(2×107～3×107 Pa)和高压(8.5×107～1×108 Pa)三种类型；
③使用催化剂，能大幅度提高反应速率，工业合成氨用铁做催化剂；
④按N2与H2的物质的量之比为1∶2.8投料并及时分离出NH3。
考法☆ 化工生产适宜条件选择
1．(2019·陕西名校联考)在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是( )
A．ΔH1<0，ΔH2>0
B．增大压强有利于加快合成反应的速率
C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率
D．选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
C [根据图像可以看出，温度越高，CO的产率越高，CH3OH的产率越低。]
2．(2016·全国卷Ⅱ，节选)丙烯腈(CH2===CHCN)是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛(CH2===CHCHO)和乙腈(CH3CN)等。
回答下列问题：
(1)以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：
①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g) ΔH＝－515 kJ·mol－1
②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)
ΔH＝－353 kJ·mol－1
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是__________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460 ℃。低于460 ℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，判断理由是_____________________________
___________________________________________________________；
高于460 ℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。
A．催化剂活性降低
B．平衡常数变大
C．副反应增多
D．反应活化能增大
图(a) 图(b)
(3)丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图(b)所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为________，理由是_________________
___________________________________________________________。
进料气氨、空气、丙烯的理论体积比约为________。
解析：
＝1.0→丙烯腈的产率最高，根据反应①n(氨)∶n(O2)＝1∶1.5，故n(氨)∶n(空气)＝1∶(1.5×5)＝1∶7.5。
答案：(1)降低温度、降低压强 催化剂
(2)不是 该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低 AC
(3)1 该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低 1∶7.5∶1
专项突破(18) “控制变量法”探究反应速率的影响因素
1．确定变量
解答这类题目时首先要认真审题，理清影响实验探究结果的因素有哪些。
2．定多变一
在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
3．数据有效
解答时注意选择数据(或设置实验)要有效，且变量统一，否则无法作出正确判断。
1．为了探究温度、硫酸铜对锌与稀硫酸反应生成氢气速率的影响，某同学设计了如下方案：
编号
纯锌粉质量
0.2 mol·L－1稀硫酸体积
温度
硫酸铜固体质量
Ⅰ
2.0 g
10.0 mL
25 ℃
0
Ⅱ
2.0 g
10.0 mL
t ℃
0
Ⅲ
2.0 g
10.0 mL
35 ℃
0.2 g
Ⅳ
2.0 g
10.0 mL
35 ℃
4.0 g
下列推断合理的是( )
A．选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响，必须控制t＝25
B．待测物理量是收集等体积(相同条件)的气体所需要的时间，时间越长，反应越快
C．根据该方案，还可以探究稀硫酸浓度对反应速率的影响
D．根据该实验方案得出反应速率的大小可能是Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ
D [A项，根据控制变量法，若选择Ⅱ和Ⅲ实验探究硫酸铜对反应速率的影响，Ⅱ的温度必须控制在35 ℃，错误；B项，收集相同条件下等体积的气体所需的时间越长，则反应速率越慢，错误；C项，题中各组实验中稀硫酸的浓度均相同，故无法探究稀硫酸浓度对反应速率的影响，错误；D项，本题影响反应速率大小的主要因素是温度和硫酸铜固体的质量，由A项分析可知实验Ⅱ的温度应为35 ℃，则反应速率Ⅱ>Ⅰ，实验Ⅲ中锌与置换出的铜及稀硫酸构成原电池，使Ⅲ的反应速率比Ⅱ的快，实验Ⅳ中CuSO4用量过多，置换出的铜可能覆盖在锌表面而阻止反应的进行，从而使Zn与H2SO4反应速率大大减小，故四个反应的反应速率的大小关系可能为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ，正确。]
2．下表为某学生进行的两组实验：
反应物
Na2S2O3溶液
H2SO4溶液
水
甲
0.1 mol·L－1
10 mL
0.1 mol·L－1
10 mL
5 mL
乙
0.2 mol·L－1
5 mL
0.2 mol·L－1
5 mL
20 mL
若其他条件均相同，上述两组实验中，对应反应的反应速率关系为
( )
A．甲>乙 B．甲<乙
C．甲＝乙 D．无法判断
A [甲组溶液的总体积是25 mL，混合溶液中，甲组反应物的浓度c(Na2S2O3)＝c(H2SO4)＝＝0.04 mol·L－1；乙组溶液的总体积是30 mL，混合溶液中，乙组反应物的浓度c(Na2S2O3)＝c(H2SO4)＝≈0.033 mol·L－1。由于甲组中反应物的浓度较大，故在其他条件相同时，其反应速率较大，即甲组的反应速率大于乙组的反应速率，A项正确。]
3．为探究反应物浓度对化学反应速率的影响，设计的实验方案如下表：
实验
序号
体积V/mL
K2S2O8溶液
水
KI溶液
Na2S2O3溶液
淀粉溶液
①
10.0
0.0
4.0
4.0
2.0
②
9.0
1.0
4.0
4.0
2.0
③
8.0
Vx
4.0
4.0
2.0
表中Vx＝________mL，理由是______________________________
________________________________________________________。
解析：实验的目的是探究K2S2O8溶液的浓度对化学反应速率的影响，故应保证每组实验中其他物质的浓度相等，即溶液的总体积相等(即为20.0 mL)，从而可知Vx＝2.0 mL。
答案：2.0 保证反应物K2S2O8浓度的改变，而其他物质浓度不变
课堂反馈 真题体验
1．(2014·全国卷Ⅰ)已知分解1 mol H2O2放出热量98 kJ，在含少量I－的溶液中，H2O2分解的机理为：
H2O2＋I－―→H2O＋IO－ 慢
H2O2＋IO－―→H2O＋O2↑＋I－ 快
下列有关该反应的说法正确的是( )
A．反应速率与I－浓度有关
B．IO－也是该反应的催化剂
C．反应活化能等于98 kJ·mol－1
D．v(H2O2)＝v(H2O)＝v(O2)
A [A.将题给两个反应合并可得总反应为2H2O2===2H2O＋O2↑，该反应中I－作催化剂，其浓度的大小将影响该反应的反应速率。
B．该反应中IO－是中间产物，不是该反应的催化剂。
C．反应的活化能表示一个化学反应发生所需要的最小能量，分解1 mol H2O2放出98 kJ热量，不能据此判断该反应的活化能。
D．由反应速率与对应物质的系数的关系可知v(H2O2)＝v(H2O)＝2v(O2)。]
2．(2014·全国卷Ⅱ，节选)在容积为1.00 L的容器中，通入一定量的N2O4，发生反应N2O4(g)2NO2(g)，随温度升高，混合气体的颜色变深。
在0～60 s时段，反应速率v(N2O4)为________mol·L－1·s－1。
解析：由题图可知，0～60 s时段，N2O4的物质的量浓度变化为
0.060 mol·L－1，v(N2O4)＝＝0.001 0 mol·L－1·s－1。
答案：0.001 0
3．(2018·全国卷Ⅰ，T28节选)(1)F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5(g)分解反应：
2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)
2N2O4(g)
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如下表所示(t＝∞时，N2O5(g)完全分解)：
t/min
0
40
80
160
260
1 300
1 700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1
研究表明，N2O5(g)分解的反应速率v＝2×10－3×pN2O5(kPa·min－1)。t＝62 min时，测得体系中pO2＝2.9 kPa，则此时的pN2O5＝________ kPa，v＝________ kPa·min－1。
(2)对于反应2N2O5(g)―→4NO2(g)＋O2(g)，R.A.Ogg提出如下反应历程：
第一步 N2O5NO2＋NO3 快速平衡
第二步 NO2＋NO3―→NO＋NO2＋O2 慢反应
第三步 NO＋NO3―→2NO2 快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是________(填标号)。
A．v(第一步的逆反应)>v(第二步反应)
B．反应的中间产物只有NO3
C．第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效
D．第三步反应活化能较高
解析：(1)t＝62 min时，体系中pO2＝2.9 kPa，根据三段式法得
2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)
起始 35.8 kPa 0 0
转化 5.8 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
62 min 30.0 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
则62 min时pN2O5＝30.0 kPa，v＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2 kPa·min－1。
(2)快速平衡，说明第一步反应的正、逆反应速率都较大，则第一步反应的逆反应速率大于第二步反应的速率，A项正确；反应的中间产物除NO3外还有NO，B项错误；第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，C项正确；第三步反应快，说明反应的活化能较低，D项错误。
答案：(1)30.0 6.0×10－2 (2)AC
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