第二节　化学反应的速率与限度

1、高中化学 必修第二册 人教版第二节化学反应的速率与限度1.知道化学反应平均速率的表示方法,通过实验探究影响化学反应速率的因素。2.学习运用控制变量法研究化学反应,了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。3.了解可逆反应的特征及含义,理解可逆反应在一定条件下能达到化学平衡的原因。4.从化学反应的限度和反应速率两个方面认识化学反应的特征,了解化学反应可以进行调控,理解对化学反应进行调控的重要性。 1.表示化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量(均取正值)来表示。(1)计算公式:vA=。(2)常用单位: mol/(Ls)或 mol/(L min)。2.意义化学反应速率是

2、用来衡量化学反应进行快慢的物理量,同一化学反应用不同的物质来表示化学反应速率时,其数值可以不同,但这些数值所表示的意义相同。1 |化学反应的速率3.规律对于同一反应,用不同的物质来表示反应速率,其比值一定等于化学方程式中相应的化学计量数之比。如对于反应:mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),v(A)v(B)v(C)v(D)=mnpq。4.化学反应速率的影响因素(1)主要因素(内因)参加反应的物质的性质是决定化学反应速率的主要因素。(2)外界因素 易错警示正确理解外界条件对化学反应速率的影响(1)温度对化学反应速率的影响无论是放热反应还是吸热反应,升温都能加快化学反应速率,不能认为升温

3、只会加快吸热反应的反应速率。温度对反应速率的影响与反应物的状态无关。(2)浓度对化学反应速率的影响反应物的浓度影响反应速率只适用于在溶液中进行的反应或有气体参加的反应,改变纯液体或固体的量不会引起浓度的变化,不影响化学反应速率。(3)压强对化学反应速率的影响a.若参加反应的物质为固体或液体,由于压强的变化对它们的浓度几乎无影响,可以认为化学反应速率不变。b.对于有气体参加的反应而言,改变压强,对化学反应速率产生影响的根本原因是气体的浓度发生了改变。因此讨论压强对反应速率的影响时,应区分引起压强改变的原因,这种改变对反应体系中气体的浓度产生何种影响,由此判断出对反应速率有何影响。例如:恒温恒容时

4、,充入惰性气体引起体系总压强增大,但各反应成分的分压不变,即各反应成分的浓度不变,化学反应速率不变。恒温恒压时,充入惰性气体引起容器容积增大,各反应成分的浓度减小,反应速率减小。5.定性判断化学反应速率快慢的方法对于同一反应,在不同反应条件下的反应速率快慢一般可以通过以下现象进行定性判断:(1)产生气泡的快慢;(2)固体质量变化的快慢;(3)温度改变的快慢;(4)溶液中浑浊出现的快慢;(5)颜色改变的快慢。1.可逆反应(1)概念:在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的反应。(2)特征:反应不能进行到底,或者在一定条件下反应物与生成物同时存在。2 |化学反应的限度归纳提升

5、正确理解可逆反应(1)可逆反应这一概念中的关键词是“同一条件”。如2H2+O2 2H2O和2H2O 2H2+O2不互为可逆反应。(2)正反应方向、逆反应方向的热效应相反。若正反应是吸(放)热反应,则逆反应是放(吸)热反应。(3)绝大多数化学反应都有一定的可逆性,但有些反应的可逆性小,可视为“不可逆”。2.化学平衡的建立对于可逆反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),在一定温度下,将2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)通入一定体积的密闭容器中,其化学反应速率与时间关系如图所示。a.反应开始时,正反应速率最大,原因是反应物浓度最大;逆反应速率为0,原因是生成物浓度为0。b.反应

6、进行过程中,正反应速率的变化是逐渐减小,原因是反应物浓度逐渐减小;逆反应速率的变化是逐渐增大,原因是生成物浓度逐渐增大。c.反应一段时间后,正反应速率和逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度都不再改变。3.化学平衡状态(1)概念如果外界条件(温度、浓度、压强等)不发生改变,当可逆反应进行到一定程度时,正反应速率与逆反应速率相等,反应物的浓度与生成物的浓度都不再改变,达到一种表面静止的状态,称为化学平衡状态,简称化学平衡。(2)特征方法技巧“变量不变”判断方法平衡状态判断方法的核心是“变量不变”,首先应结合反应特点和外界条件,判断反应过程中哪些量是变量,哪些量是不变量,其一般步骤如下:4.影

7、响化学反应的限度的因素(1)决定因素:化学反应的限度首先取决于反应物的化学性质。不同的可逆反应在给定条件下的化学反应限度不同,反应物的最大转化率不同。(2)外界因素:化学反应的限度受温度、浓度、压强等条件的影响。改变其中的一个条件,可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。归纳提升压强对化学平衡的影响 1.目的:促进有利的化学反应,抑制有害的化学反应。2.基本措施(1)改变化学反应速率:改变反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强、固体的表面积以及合理使用催化剂等。(2)改变可逆反应进行的限度:改变可逆反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强等。3.考虑因素:控制反应条件的成本和实际可能性。4.合成

8、氨工业中反应条件的控制温度:控制在400500 ,综合考虑了氨的产率、反应速率和催化剂的活性;压强:控制在10 MPa30 MPa,综合考虑了生产成本和设备条件等因素。3 |化学反应条件的控制判断正误,正确的画“”,错误的画“”。1.在等物质的量浓度的碳酸钠、碳酸氢钠溶液中分别滴加同浓度的盐酸,在碳酸氢钠溶液中有大量气泡产生,而碳酸钠溶液中产生气泡现象不明显。由此说明盐酸与碳酸氢钠反应的速率比盐酸与碳酸钠反应的速率大()提示:碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应过程不同,当碳酸钠与盐酸反应时,先生成碳酸氢钠,之后才是碳酸氢钠与盐酸反应产生CO2。实验所观察到的现象不能说明盐酸与碳酸钠、碳酸氢钠反应速率的

9、快慢。2.某同学进行如下实验:在5 mL 0.1 mol/L KI溶液中加入2 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液,振荡后向混合溶液中加入2 mL CCl4进行萃取分液操作23次,然后在所得水层中滴加56滴15% KSCN溶液。记录的相关现象为CCl4层显紫色,水层滴加KSCN溶液后呈红色。由此该同学得出KI和FeCl3反应的离子方程式为2Fe3+2I- 2Fe2+I2,该反应存在限度,为可逆反应()提示:实验所观察到的现象说明了以下两点:一是有碘单质生成,反应确实发生了;二是当氯化铁溶液不足时,反应后仍有Fe3+剩余,说明反应没有进行到底,证实了反应有限度,是一个可逆反应。3.某研究碳

10、酸钙与稀盐酸反应速率的实验测得的数据绘制成如图所示的曲线,已知Ot1,t1t2,t2t3所间隔的时间相同。该实验中,反应速率最大的时间段为t1t2,t2t3反应速率减小是由于盐酸浓度降低,t4后CO2气体的体积不再增加说明反应达到了平衡状态()提示:t4后CO2气体的体积不再增加的原因是有一种反应物已经消耗完,而不是反应达到了平衡状态。4.由v=c/t计算平均反应速率,用反应物表示时为正值,用生成物表示时为负值()提示:化学反应速率均用正值表示,所以不存在数值为负值的反应速率。5.化学反应速率为0.8 mol/(Ls)是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol/L()提示:0.8 mol/(Ls

11、)是指每秒内该物质的浓度改变为0.8 mol/L。6.无论是吸热反应还是放热反应,只要升高反应体系温度,均能使反应速率增大()提示:当升高反应体系温度时,无论是吸热反应,还是放热反应,反应速率均增大。7.2H2O 2H2+O2为可逆反应()提示:水分解的反应和氢气在氧气中燃烧的反应,反应条件不同,且也不是同时进行,没有满足可逆反应的条件,不是可逆反应。8.可逆反应不等同于可逆过程,可逆过程包括物理变化和化学变化。而可逆反应属于化学变化()9.化学反应达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等,是指同一物质的消耗速率和生成速率相等,若用不同物质表示时,反应速率的值不一定相等()提示:化学反应达到化学平

12、衡状态时正、逆反应速率相等,是指同一物质的消耗速率和生成速率相等,若用不同物质表示,其反应速率之比与化学计量数之比相等,所以其数值有可能相等,也有可能不等。10.一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度()化学反应速率往往会受到多种因素的影响,而这种受多种因素影响的问题又比较复杂。科学家为简化对这类问题的研究,每次只改变其中的一个因素,而控制其余几个因素不变,研究被改变的因素对事物发展的影响。这样,就将多因素问题拆解为多个单因素问题分别开展研究,化繁为简,再进行综合分析,最后得出结论,这种方法称为控制变量法。在对影响化学反应速率因素的研究中,我们在其他条件不变的情况下,分

13、别改变其中一个因素进行实验,即可分别得出浓度、温度、催化剂、反应物的表面积等条件影响化学反应速率的结论。模型建构法(或科学模型法)则是分析与解决类似复杂系统、复杂问题的另一种研究工具。通过建立合适的模型往往能有效突破思维瓶颈,理清看似复杂的条件、1|控制变量法与外界条件对化学反应速率影响的探究因素、变量之间的相互联系,明确其内在本质。如研究压强改变对反应速率的影响时,我们可以通过建立模型,理清压强改变对速率影响的实质是浓度的改变,从而方便地理解和处理相关问题。下面以一个实例加以说明。在一个密闭容器中充入1 mol H2(g)和1 mol I2(g),压强为p(Pa),在一定温度下使其发生反应:

14、H2(g)+I2(g) 2HI(g)。该密闭容器有一个可移动的活塞(如图)。 问题1.向下压缩活塞,容器内气体压强如何变化?气体浓度如何变化?反应速率如何变化?提示:向下压缩活塞,气体压强增大,由于反应容器的体积缩小,压缩瞬间,气体的物质的量不变,浓度增大,化学反应速率加快。2.保持容器的体积不变,向其中充入氦气(He),容器内气体压强如何变化?气体浓度如何变化?反应速率如何变化?提示:容器体积不变的情况下,向容器内充入氦气会造成容器内气体的压强增大,但反应物的物质的量没有变化,体积也没有改变,所以反应物的浓度不变,反应速率也不变。3.保持容器内气体压强不变,向其中充入氦气(He),气体浓度如

15、何变化?反应速率如何变化?提示:在压强不变的条件下,向容器内充入氦气,为保证压强不变,容器的体积会增大。此时反应物的物质的量不变,但由于容器的体积增大,造成反应物浓度减小,反应速率减小。4.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,某化学研究小组分别设计了如图所示的实验。分析实验中选择滴加的药品严谨吗?为什么?怎样操作才能使实验更加严谨?提示:不严谨。实验的目的是探究Fe3+、Cu2+对H2O2分解的催化效果,应保证除了Fe3+、Cu2+外的其他条件都相同。所以,应将硫酸铜溶液改为氯化铜溶液,或将氯化铁溶液改为硫酸铁溶液,同时加入氯化钠

16、或硫酸钠的对照实验,排除阴离子对实验结果的干扰。浓度对反应速率影响的理解(1)固体或纯液体的浓度视为常数,所以增加其用量时,化学反应速率不变。(2)增大固体的表面积或将固体溶于一定溶剂,能增大化学反应速率。压强对反应速率影响的理解压强对反应速率的影响,是通过改变气体反应物或生成物的浓度来实现的,故一般意义上的增大压强是指压缩参与反应气体的体积,减小压强则是指扩大参与反应气体的体积。(1)对无气体参加的化学反应,改变压强时,化学反应速率基本不变。如MgO+2HCl MgCl2+H2O。(2)对于有气体参加的反应,压强对化学反应速率的影响可通过下列模型进行简化理解:压强改变恒温时:增大压强 体积缩

17、小 反应速率增大。恒温时气体反应体系中充入“惰性气体”(不参与反应)对反应速率的影响:恒容:充入“惰性气体”总压增大参与反应气体的浓度不变反应速率不变;恒压:充入“惰性气体”体积增大参与反应气体的浓度减小反应速率减小。利用氮气与氢气直接合成氨的工业生产曾是一个较难的课题,1900年,法国化学家勒夏特列通过理论计算,认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。他在用实验验证的过程中发生了爆炸,一个助手差点丧命。他没有调查事故发生的原因,而是觉得这个实验有危险,就放弃了。同时期,许多著名的法国化学家如泰纳、德维尔、贝托洛都在这项工作中失败了。1909年,德国化学家哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在17.5 MPa

18、20.0 MPa和500600 下直接合成,反应器出口得到8%的氨。合成氨反应的化学方程式为N2+3H2 2NH3,假设该反应在体积不变的密闭容器中进行。2|化学平衡状态的判断和化学反应的调控问题1.容器内混合气体的密度不随时间变化时,该反应是否达到平衡状态?你认为哪些物理量能够作为合成氨反应达到平衡状态的标志?提示:因容器的体积不变,混合气体的总质量不变,则无论该反应是否达到平衡状态,混合气体的密度均不变,即混合气体密度不变不能证明反应达到平衡状态。压强、浓度等随着反应进行而变化的物理量,如果不再变化,说明反应已经达到平衡状态。2.单位时间内生成2a mol NH3,同时消耗a mol N2

19、时,该反应是否达到平衡状态?提示:二者均表示正反应方向的变化,不能判断反应是否达到平衡状态。3.假如你是合成氨工厂的厂长,你最关心什么呢?对整个生产过程有怎样的要求?提示:作为工业生产,需要考虑的是提高单位时间内的产量以及原料的利用率,提高合成氨的效益。所以需要从反应速率、反应物的转化率和生产设备的投入、生产过程中的能源消耗等多个方面综合考虑。就合成氨而言,选择500 左右的温度能保证有足够高的转化率和较快的反应速率,且催化剂的催化效果最佳;选择一定程度的高压,一方面能保证较高的转化率,另一方面也不至于由于对设备的投入和生产过程中能源的消耗而提高生产成本,降低经济效益。最后,在生产工艺上采用原

20、料气的循环和逆流操作来提高原料气的总体转化率并利用反应过程中所放出的热能。化学平衡状态的判断标志(1)直接标志“正、逆相等”v正=v逆a.同一种物质的生成速率等于消耗速率;b.在化学方程式同一边的不同物质的生成速率与消耗速率之比等于化学计量数之比;c.在化学方程式两边的不同物质的生成(或消耗)速率之比等于化学计量数之比。各组分的浓度一定a.各组分的浓度不随时间的改变而改变;b.各组分的质量分数、物质的量分数、体积分数不随时间的改变而改变。(2)间接标志“变量不变”反应体系中的总压强不随时间的改变而变化(适用于反应前后气体体积不等的反应)。对于反应混合物中存在有颜色的物质的可逆反应,若体系中颜色

21、不再改变,则反应达到平衡状态。反应物与生成物全是气体、反应前后气体体积不等的可逆反应,平均相对分子质量保持不变。对于同一种物质而言,断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。3|化学反应速率与化学平衡的简单计算物理学科中可以利用速度来描述物体运动的快慢,化学学科中利用化学反应速率来定量描述化学反应的快慢。约10.3 m/s(1.55)10-3 m/s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。2.对于比较复杂的化学反应速率(或化学平衡)的计算,常采用“三段式法”,如下例所示: 2A(g)+B(g) 2C(g)起始浓度(molL-1) 2 1 0n s内转化浓度(molL-1) 2xx 2xn s后浓度(molL-1)2-2x 1-x 2xv(A)= molL-1s-1,v(B)= molL-1s-1,v(C)= molL-1s-1,B的转化率为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