化学教案（通用版）第22讲化学反应速率及影响因素

第22讲化学反应速率及影响因素复习目标1．了解化学反应速率的概念和定量表示方法；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、生产和科学研究领域中的重要作用。考点一化学反应速率必备知识整理1.化学反应速率2．化学反应速率与化学计量数的关系对于已知反应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相应物质的________________之比，即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝________________________。微点拨(1)由公式v＝ΔcΔt(2)同一化学反应在相同条件下用不同物质表示的化学反应速率，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(不是溶液)表示化学反应速率，因为固体和纯液体物质的浓度视为常数。[正误判断](1)单位时间内反应物浓度的变化量表示正反应速率，生成物浓度的变化量表示逆反应速率()(2)化学反应速率为mol·L－1·s－1是指1s时某物质的浓度为mol·L－1()(3)对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显()(4)同一化学反应，相同条件下用不同物质表示的反应速率，数值越大，表示化学反应速率越快()(5)对于任何化学反应来说，都必须用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示化学反应速率()

对点题组训练题组一化学反应速率的计算1．(1)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)＝0.6mol·L－1·s－1，则v(B)＝________mol·L－1·s－1，v(C)＝________________mol·L－1·s－1。(2)反应A(g)＋3B(g)=2C(g)＋2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为①v(A)＝mol·L－1·s－1，②v(B)＝mol·L－1·s－1，③v(C)＝mol·L－1·s－1，④v(D)＝mol·L－1·s－1。则有关反应速率大小顺序为________________。2．将6molCO2和8molH2充入一容积为2L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8～10min内CO2的平均反应速率是()A．mol·L－1·min－1B．mol·L－1·min－1C．0mol·L－1·min－1D．mol·L－1·min－1微点拨比较化学反应速率大小的常用方法(1)先换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值的大小。(2)比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应aA(g)＋bB(g)＝cC(g)＋dD(g)，比较vAa与vBb，若vAa＞vBb题组二用其他单位表示的反应速率3．合金贮氢材料具有优异的吸氢性能，在配合氢能的开发中起到重要作用。温度为T1时，2g某合金4min内吸收氢气240mL，吸氢速率v＝____mL·g－1·min－1。4．工业制硫酸的过程中，SO2(g)转化为SO3(g)是关键的一步，550℃时，在1L的恒温容器中，反应过程中部分数据见下表：反应时间/minSO2(g)/molO2(g)/molSO3(g)/mol04205102151若在起始时总压为p0kPa，反应速率若用单位时间内分压的变化表示，而气态物质分压＝总压×气态物质的物质的量分数，则10min内SO2(g)的反应速率v(SO2)＝________kPa·min－1。题组三速率常数的应用5．工业上利用CH4(混有CO和H2)与水蒸气在一定条件下制取H2，原理为CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)该反应的逆反应速率表达式为v逆＝k·c(CO)·c3(H2)，k为速率常数，在某温度下测得实验数据如表所示：CO浓度/(mol·L－1)H2浓度/(mol·L－1)逆反应速率/(mol·L－1·min－1)c1c2c1c2由上述数据可得该温度下，c2＝______mol·L－1，该反应的逆反应速率常数k＝______L3·mol－3·min－1。6．300℃时，2NO(g)＋Cl2(g)⇌2ClNO(g)的正反应速率表达式为v正＝k·cn(ClNO)，测得速率和浓度的关系如下表：序号c(ClNO)/(mol·L－1)v/(mol·L－1·s－1)①×10－9②×10－8③×10－8n＝________；k＝________。微点拨1．速率常数的含义速率常数(k)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1mol·L-1时的反应速率。在相同的浓度条件下，化学反应速率与反应物浓度(或浓度的次方)成正比，而速率常数是其比例常数，在恒温条件下，速率常数不随反应物浓度的变化而改变。因此，可以用速率方程求出该温度下任意浓度时的反应速率。2．速率方程一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比。对于反应：aA＋bB=gG＋hH则v＝k·ca(A)·cb(B)(其中k为速率常数)。如：①SO2Cl2⇌SO2＋Cl2v＝k1·c(SO2Cl2)②2NO2⇌2NO＋O2v＝k2·c2(NO2)③2H2＋2NO⇌N2＋2H2Ov＝k3·c2(H2)·c2(NO)3．速率常数的影响因素温度对化学反应速率的影响是显著的，速率常数是温度的函数，同一反应，温度不同，速率常数将有不同的值，但浓度不影响速率常数。考点二影响化学反应速率的因素必备知识整理1.主要因素反应物的组成、结构和性质等因素是决定反应速率的主要因素，如Na、Mg、Al与酸反应的速率大小关系为__________。2．外界因素微点拨外界条件对化学反应速率影响的理解(1)固体和纯液体对化学反应速率无影响，但要注意水(液态)对溶液的稀释作用。(2)浓度的改变必须是真正参加反应离子的浓度，如酸碱中和反应影响速率的是H＋、OH－浓度。(3)一般温度每升高10℃，反应速率通常增大为原来的2～4倍。(4)压强影响反应速率适用于有气体参加的化学反应，同时压强改变反应速率是通过改变物质浓度引起的。3．理论解释——有效碰撞理论(1)活化分子、活化能、有效碰撞①活化分子：发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量。②活化能：如图图中：E1表示________，使用催化剂时的活化能为________，反应热为__________。(注：E2表示活化分子变成生成物分子放出的能量)③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。(2)活化分子、有效碰撞与反应速率的关系4．“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________，反应速率________恒温恒压条件下通入“惰气”，总体积增大，反应物浓度________，反应速率________[正误判断](1)温度、浓度和压强是决定化学反应速率的主要因素()(2)升高温度和增大压强化学反应速率一定增大()(3)一定量的锌与过量的稀硫酸反应制取氢气，滴入少量硫酸铜与醋酸钠均能够提高反应速率()(4)升温时吸热反应速率增大，放热反应速率减小()(5)100mL2mol·L－1盐酸与锌片反应，加入适量的氯化钠溶液，反应速率不变()(6)催化剂参与化学反应，改变了活化能，但反应前后的性质保持不变()(7)增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分数，所以反应速率增大()对点题组训练题组一“控制变量法”探究反应速率的影响1．一定条件下，反应H2(g)＋Br2(g)=2HBr(g)的速率方程为v＝kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr)，某温度下，该反应在不同浓度下的反应速率如下：c(H2)/(mol·L－1)c(Br2)/(mol·L－1)c(HBr)/(mol·L－1)反应速率2v28v216v42vc4v根据表中的测定结果，下列结论错误的是()A.表中c的值为1、β、γ的值分别为1、2、－1C.反应体系的三种物质中，Br2(g)的浓度对反应速率影响最大D.在反应体系中保持其他物质浓度不变，增大HBr(g)浓度，会使反应速率降低2．研究表明：在使用等质量催化剂时，增大催化剂的比表面积可提高化学反应速率。(1)为了分别验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了如表所示的三组实验，请完善表格中的数据。实验编号温度/℃c(NH3)初始/(mol·L－1)c(NO2)初始/(mol·L－1)催化剂的比表面积/(m2·g－1)Ⅰ350×10－3×10－3120Ⅱ80Ⅲ15080利用实验编号________验证温度对反应速率的影响规律。(2)已知该反应为放热反应，请在给出的坐标图中，画出表中Ⅱ、Ⅲ中NO2浓度随时间变化的趋势曲线，并标明实验编号。微点拨催化剂改变反应历程、活化能的示意图使用催化剂，活化能降低，活化分子百分数增大，单位体积内活化分子数增大，反应速率增大。题组二活化能与反应机理3．已知反应2NO(g)＋2H2(g)⇌N2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－752kJ·mol－1的反应机理如下：①2NO(g)⇌N2O2(g)(快)②N2O2(g)＋H2(g)⇌N2O(g)＋H2O(g)(慢)③N2O(g)＋H2(g)⇌N2(g)＋H2O(g)(快)下列有关说法错误的是()A.①的逆反应速率大于②的正反应速率B.②中N2O2与H2的碰撞仅部分有效2O2和N2O是该反应的催化剂D.总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大4．光照条件下，甲烷氯化反应是一个自由基型的取代反应。在链转移反应过程中，经历两步反应：(·CH3和Cl·分别表示甲基和氯原子)反应1：CH4(g)＋Cl·(g)→·CH3(g)＋HCl(g)；反应2：·CH3(g)＋Cl2(g)→CH3Cl(g)＋Cl·(g)。各物质的相对能量变化如图所示。下列说法不正确的是()A.链转移反应的反应速率由第1步反应决定B.反应1的活化能Ea＝kJ·mol－1C.链转移反应的反应热ΔH＝－kJ·mol－1D.由图可知，过渡态结构的稳定性：1＞2新情境新高考催化剂的重要作用合成氨工业中，在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，约为335kJ·mol－1。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。第一阶段的反应的活化能为126kJ·mol－1～167kJ·mol－1，第二阶段的反应的活化能为13kJ·mol-1。催化剂的催化过程一般是催化剂跟其中的一种反应物首先发生反应，生成过渡物，然后再跟另外的反应物反应生成产物，同时催化剂重新生成。催化剂生成的过渡物比没有催化剂生成的过渡物的能量要低[问题探究](1)依据合成氨的能量变化图，你能判断出合成氨的反应是放热反应还是吸热反应？________________________________________________________________________________________________________________________________________________(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂，能加快化学反应速率的原因是什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________(3)工业合成氨时，升高温度，正反应速率增大，逆反应速率降低吗？________________________________________________________________________________________________________________________________________________(4)热催化合成氨面临的两难问题：采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti­H­Fe双温区催化剂(Ti­H区域和Fe区域的温度差可超过100℃)。Ti­H­Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示(其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注)。a．图中历程①氮气分子中氮氮三键断裂了吗？该历程发生了怎样的变化？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________b．判断反应历程①～⑤哪些在高温区进行？哪些在低温区进行？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________本讲真题研练1．[2022·湖南卷](双选)反应物(S)转化为产物(P或P·Z)的能量与反应进程的关系如下图所示：下列有关四种不同反应进程的说法正确的是()A.进程Ⅰ是放热反应B．平衡时P的产率：Ⅱ>ⅠC．生成P的速率：Ⅲ>ⅡD．进程Ⅳ中，Z没有催化作用2.[2022·广东卷]在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X→2Y的影响，各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图，则()A．无催化剂时，反应不能进行B．与催化剂Ⅰ相比，Ⅱ使反应活化能更低C．a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化D.使用催化剂Ⅰ时，0～2min内，v(X)＝1.0mol·L-1min3．[2021·湖南卷]铁的配合物离子(用[L—Fe—H]＋表示)催化某反应的一种反应机理和相对能量的变化情况如图所示：下列说法错误的是()A．该过程的总反应为HCOOHeq\o(,\s\up7(催化剂))CO2↑＋H2↑B．H＋浓度过大或者过小，均导致反应速率降低C．该催化循环中Fe元素的化合价发生了变化D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定4．[2020·山东卷](双选)1，3­丁二烯与HBr发生加成反应分两步：第一步H＋进攻1，3­丁二烯生成碳正离子()；第二步Br－进攻碳正离子完成1，2­加成或1，4­加成。反应进程中的能量变化如下图所示。已知在0℃和40℃时，1，2­加成产物与1，4­加成产物的比例分别为70∶30和15∶85。下列说法正确的是()A．1，4­加成产物比1，2­加成产物稳定B．与0℃相比，40℃时1，3­丁二烯的转化率增大C．从0℃升至40℃，1，2­加成正反应速率增大，1，4­加成正反应速率减小D．从0℃升至40℃，1，2­加成正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度5．[2020·全国卷Ⅱ，(节选)]高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4高温C2H6＋H2。反应在初期阶段的速率方程为：r＝k×cCH①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2＝__________r1。②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是__________。A．增加甲烷浓度，r增大B．增加H2浓度，r增大C．乙烷的生成速率逐渐增大D．降低反应温度，k减小第22讲化学反应速率及影响因素考点一必备知识整理1．快慢减少增加2．化学计量数m∶n∶p∶q正误判断答案：(1)×单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加均表示正反应速率(2)×mol·L－1·s－1是指一段时间内的平均反应速率，不是即时速率(3)×有些化学反应并无明显现象(4)×化学反应速率数值的大小和化学计量数有关，化学计量数越大，数值越大，速率之比等于化学计量数之比，但都表示该反应的反应速率(5)×对于一些化学反应，也可以用单位时间内某物质的质量、物质的量、体积、压强的变化量来表示化学反应速率对点题组训练1．解析：(2)可用比值法进行反应速率大小比较，vA1＝mol·L－1·s－1；vB3＝0.6mol·L-1·s-13＝mol·L－1·s－1；vC2＝0.4mol·L-1·s-12＝mol·L－1·s－1；vD2答案：(1)(2)①>④>②＝③2．解析：由题图可知，H2的物质的量在对应的c、d点都是2mol，因此该反应在8～10min内，v(H2)＝2mol-2mol2L×2min＝0mol·L－1·min－1，根据化学反应速率之比等于化学计量数之比可得v(CO2)＝13×v(H2)＝0mol·L－1答案：C3．解析：v＝240mL2g×4min＝30mL·g－1·min答案：304．解析：列出“三段式”2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)初始/mol420转化/mol21210min/mol212气体总压之比等于气体物质的量之比，所以10min时体系总压p10min满足p0kPap10min＝6mol5mol，即p10min＝56p0kPa，p初始(SO2)＝23p0kPa，p10min(SO2)＝56p0×25＝13p0kPa，故v(SO2)＝(23p0kPa－13p0kPa答案：130p5．解析：根据v逆＝k·c(CO)·c3(H2)，由表中数据可得：c13＝8.0mol·L-1min-10.1mol·L-1×k，c2＝6.75mol·L-1min-10.15mol·L-13×k，所以有k×8.0mol·L-1min-10.1mol·L-1×k×6.75mol·L-1min-10.15mol·L-1答案：×1046．解析：根据表格①②中的数据，带入速率公式然后做比值：3.60×10-91.44×10-8＝k×0.3nk×0.6n，解得n＝2，将n代入①中得k答案：2×10－8L·mol－1·s－1考点二必备知识整理1．Na＞Mg＞Al2．加快减慢加快减慢加快减慢相同3．(1)反应的活化能E3E1－E2(2)分子总数百分数分子总数百分数4．不变不变减小减小正误判断答案：(1)×决定化学反应速率的主要因素是反应物的性质(2)×无气体参与的化学反应，增大压强，化学反应速率不变(3)×加入CuSO4形成原电池，使化学反应速率加快，而加入CH3COONa，会生成CH3COOH，c(H＋)减小，反应速率减慢(4)×升温时，吸热反应、放热反应速率均增大(5)×加入氯化钠溶液，相当于对溶液稀释，c(H＋)减小，反应速率应减小(6)×催化剂反应前后的化学性质不变，物理性质可能发生改变(7)×增大反应物的浓度，能增大活化分子的总数，其百分数保持不变对点题组训练1．解析：由速率方程v＝kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr)，将H2、Br2、HBr和速率都代入到速率方程可以得到，①v＝k×α×β×2γ、②8v＝k×α×β×2γ、③16v＝k×α×β×2γ、④2v＝k×α×β×4γ，由①②得到β＝32，②③得到α＝1，①④得到γ＝－1，对于4v＝k()α()βcγ(HBr)与①，将α＝1，β＝32，γ＝－1代入，解得c＝1，由此分析，表中c的值为1，故A不符合题意；α、β、γ的值分别为1、32、－1，故B符合题意；由于v＝kcα(H2)cβ(Br2)cγ(HBr)，α、β、γ的值分别为1、32、－1，则反应体系的三种物质中，Br2(g)的浓度对反应速率影响最大，故C不符合题意；由于γ＝－1，增大HBr(g)浓度，cγ(HBr)减小，在反应体系中保持其他物质浓度不变，会使反应速率降低答案：B2．解析：(1)验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律时，根据控制单一变量原则，三组实验中NH3、NO2的初始浓度应相同，结合Ⅰ、Ⅲ中温度不同，Ⅰ、Ⅱ中催化剂的比表面积不同，则Ⅰ、Ⅱ中应温度相同。(2)Ⅱ中催化剂的比表面积比Ⅰ中的小，达到平衡的时间比Ⅰ的长；Ⅱ、Ⅲ中催化剂的比表面积相同，Ⅲ的反应温度较低，则达到平衡时用时最长；又由题意知，该反应为放热反应，降低温度会使平衡正向移动，故平衡时Ⅲ中的c(NO2)要比Ⅰ、Ⅱ中的c(NO2)小。答案：(1)Ⅱ.350×10－3×10－3Ⅲ×10－3×10－3Ⅱ与Ⅲ(2)3．解析：①为快反应，说明正反应的活化能和逆反应的活化能都较小，反应更容易发生；②为慢反应，说明正反应的活化能和逆反应的活化能都较大，②中正反应的活化能大于①中逆反应的活化能，因此①的逆反应速率大于②的正反应速率，A项正确；②反应为慢反应，反应慢说明反应的活化能大，物质微粒发生碰撞时，许多碰撞都不能发生化学反应，因此碰撞仅部分有效，B项正确；反应过程中N2O2和N2O是中间产物，不是催化剂，C项错误；总反应为放热反应，则总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大，D项正确。答案：C4．解析：化学反应取决于化学反应速率慢的一步反应，由图可知，反应1的活化能大于反应2的活化能，则反应1的反应速率小于反应2，链转移反应的反应速率由第1步反应决定，故A正确；由图可知，反应1的活化能Ea＝kJ·mol－1，故B正确；由图可知，链转移反应的反应物总能量高于生成物总能量，该反应为放热反应，反应热ΔH＝－kJ·mol－1，故C正确；由图可知，过渡态1的能量高于过渡态2，则过渡态结构2的稳定性强于过渡态结构1，故D错误。答案：D新情境新高考提示：(1)由于反应物的总能量高于生成物的总能量，故工业合成氨的反应是放热反应。(2)使用铁触媒作催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，提高了活化分子的百分数，单位时间内有效碰撞次数增加，反应速率加快。(3)不论是放热反应还是吸热反应，升高温度，正、逆反应速率一定增大。(4)a.历程①是氮气分子吸附在催化剂表面的过程，N2分子中的氮氮三键没有断裂。b．历程①、②、③是吸附断键的过程，需要提高化学反应速率，故在高温区进行；历程④、⑤是氮原子的传递和合成氨的过程，需要提高合成氨的产率，使合成氨(放热反应)平衡正移，故在低温区进行。本讲真题研练1．解析：答案：AD2．解