（新教材适用）2023-2024学年高中化学第2章化学反应速率与化学平衡第1节化学反应速率第2课时影响化学反应速率的因素活化能学案新人教版选择性必修1

第2课时影响化学反应速率的因素活化能学习目标1．理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学反应速率的影响，认识一般规律。2．了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。3．知道活化能的含义及其对化学反应速率的影响。4．了解通过改变外界条件从而改变化学反应速率的方法和意义。核心素养1．通过实验探究，总结影响化学反应速率的因素，形成由宏观到微观、由感性到理性的科学探究过程，并获得基本的观察能力、探究能力和实际解决问题的能力。2．利用有效碰撞理论，理解影响化学反应速率的因素，培养证据推理与模型认知的思维。对活化能本质的认识100多年来，为了正确认识活化能的科学意义，并力争从理论上进行计算，科学家们一直在进行探讨并提出了若干个化学反应速率理论，其中，最著名的是基元反应碰撞理论和基元反应过渡态理论。基元反应碰撞理论认为，化学反应之所以能发生，是反应物分子碰撞的结果，但只有能量超过某一限度Ec(相当于活化能)并满足一定方向要求的活化分子间的碰撞，才是真正发生反应的有效碰撞。这个理论解释了温度、活化能对化学反应速率的影响。例如，低温时，单位体积内活化分子少，单位时间内有效碰撞少，化学反应速率就低；高温时，单位体积内活化分子多，单位时间内有效碰撞多，化学反应速率就高。又如，活化能高，能量超过活化能的活化分子少，单位时间内有效碰撞少，化学反应速率低。基元反应过渡态理论认为，基元反应在从反应物到产物的变化过程中要经历一个中间状态，这个状态称为过渡态。新知预习一、有效碰撞理论1．化学反应发生的条件：eq\x(先决条件)—反应物分子相互接触发生碰撞|eq\x(充要条件)—反应物分子之间发生有效碰撞2．有效碰撞理论与活化能eq\x(\a\al(有效碰撞))—能够发生化学反应的反应物分子的碰撞|eq\x(\a\al(活化分子))—能量较高，能够发生有效碰撞的分子|eq\x(活化能)—活化分子的最低能量与所有反应物分子的平均能量的差如图所示：图中E1表示反应的活化能，(E1－E2)表示反应热。3．化学反应速率与活化分子、有效碰撞的关系：活化分子的百分数越大，单位体积内活化分子数越多，单位时间内有效碰撞的次数越多，化学反应速率越快。二、影响化学反应速率的因素1．浓度对反应速率的影响：(1)规律。反应物浓度增大→反应速率加快；反应物浓度减小→单位时间内有效碰撞次数减少。(2)微观解释。增大反应物的浓度，即增大了单位体积内活化分子的数目，单位时间内有效碰撞次数增多，化学反应速率加快。2．压强对反应速率的影响：对于气体来说，在一定温度下，一定质量的气体所占的体积与压强成反比。如图所示：(1)适用范围：有气体参与的化学反应。(2)结论：增大压强，气体体积缩小，浓度增大，化学反应速率加快。(3)微观解释：增大压强→气体体积缩小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞次数增加→反应速率加快；反之，反应速率减慢。3．温度对反应速率的影响：(1)规律。温度升高，反应速率加快；温度降低，反应速率减慢。(2)微观解释。升高温度→活化分子百分数提高→单位时间内有效碰撞的次数增多→化学反应速率加快。4．催化剂对反应速率的影响：(1)规律。使用合适的催化剂，可加快化学反应速率。(2)微观解释。使用合适的催化剂→降低反应所需的活化能→活化分子百分数提高→有效碰撞次数增加→化学反应速率加快。预习自测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(C)A．使用光催化剂不改变反应速率B．使用光催化剂降低了反应速率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解析：使用催化剂能加快反应速率，故A、B两项均错误；D项，对于有气体参加的化学反应，改变压强能改变反应速率。2．已知分解1molH2O2放出热量98kJ。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)A．反应速率与I－的浓度有关B．IO－也是该反应的催化剂C．反应活化能等于98kJ·mol－1D．v(H2O2)＝v(O2)解析：H2O2分解的反应速率主要由第一个反应决定，I－的浓度越大，反应速率越快，A项正确；根据总反应可确定该反应的催化剂为I－，而IO－为中间产物，B项错误；根据所给信息无法确定反应活化能，C项错误；反应速率关系为v(H2O2)＝2v(O2)，D项错误。3．某温度下按如图安装好实验装置，在锥形瓶内盛6.5g锌粒(颗粒大小基本相同)，通过分液漏斗加入40mL2.5mol·L－1的稀硫酸溶液，将产生的H2收集在一个注射器中，0～10s内收集到气体的体积为50mL(折合成0℃、101kPa条件下的H2体积为44.8mL)。下列说法不正确的是(A)A．将题述中的稀硫酸改为浓硫酸，生成H2的速率变快B．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用H＋来表示10s内该反应的速率为0.01mol·L－1·s－1C．忽略锥形瓶内溶液体积的变化，用Zn2＋来表示10s内该反应的速率为0.3mol·L－1·min－1D．可通过测定溶液的pH来测定反应速率解析：浓硫酸具有强氧化性，与锌反应不生成H2，故A错误；0℃、101kPa条件下的H2体积为44.8mL，其物质的量为0.002mol，则根据反应方程式得到关系式：Zn～H2SO4～ZnSO4～H2，n(ZnSO4)＝n(H2SO4)＝n(H2)＝0.002mol，则用H＋来表示10s内该反应的速率为v(H＋)＝eq\f(Δn,V·Δt)＝eq\f(0.002mol×2,0.04L×10s)＝0.01mol·L－1·s－1，故B正确；结合B选项分析可知，用Zn2＋来表示10s内该反应的速率为v(Zn2＋)＝eq\f(Δn,V·Δt)＝eq\f(0.002mol,0.04L×10s)＝0.005mol·L－1·s－1＝0.3mol·L－1·min－1，故C正确；在反应过程中，氢离子浓度逐渐减小，故可以通过测定溶液pH来测定反应速率，D正确。知识点1浓度、压强对化学反应速率的影响问题探究：1.对于一个在溶液中进行的反应，改变溶液的用量对化学反应速率有何影响？2．增大反应物浓度对可逆反应的逆反应速率有何影响？3．增大压强(减小容器体积)是否改变了活化分子的百分数？4．怎样理解向反应容器中加入稀有气体对反应速率的影响？5．对于那些反应物和生成物中都有气体参加的可逆反应来说，增大体系的压强(减小体积)，正、逆反应速率怎样变化？探究提示：1.改变溶液的用量时，由于浓度不变，因此对化学反应速率无影响。2．增大反应物浓度，正反应速率增大，在改变的瞬间，生成物的浓度可认为不变，逆反应速率不变，但随着反应的进行，反应物的浓度逐渐减小，生成物的浓度逐渐增大，导致正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，直到两者相等。3．增大压强(减小容器体积)时，单位体积内活化分子数增加，单位体积中总的气体分子数也增加，活化分子百分数不变。4．向容器中加入稀有气体，如果保持恒温恒容，尽管容器内总压强增大了，但容器的体积不变，反应物的浓度不变，因此反应速率不变；如果保持恒温恒压，加入稀有气体后，为维持容器内压强不变，容器的体积增大，反应物的浓度减小，因此反应速率减小。5．增大体系的压强(减小体积)，反应物和生成物的浓度都增大，所以，正反应的速率和逆反应的速率都增大。知识归纳总结：1．浓度改变对化学反应速率的影响。(1)用碰撞理论解释浓度变化对化学反应速率的影响：反应物浓度增大→单位体积内分子数增多→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞次数增多→化学反应速率增大。(2)分析浓度对化学反应速率的影响时需注意的问题：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。但增大固体的表面积或将固体溶于一定溶剂中，能增大化学反应速率。②增大反应物浓度，即增大了单位体积内活化分子的数目，但活化分子的百分数没有增大。③增大反应物的浓度，必须是增加实际参加反应的反应物浓度才能增大反应速率。2．压强影响反应速率的常见情况。改变压强，对化学反应速率产生影响的根本原因是压强改变时引起气体反应物浓度改变。所以在讨论压强对反应速率的影响时，应注意压强变化是否引起物质浓度的变化。(1)对于没有气体参与的化学反应，由于改变压强时，反应物浓度变化可以忽略不计，因此对化学反应速率无影响。(2)对于有气体参与的化学反应，有以下几种情况：①恒温时增大压强体积缩小反应物浓度增大反应速率增大。②恒温恒容时a．充入反应气体该物质浓度增大反应速率增大。b．充入与反应无关的气体，如He、Ne、Ar等总压强增大，但反应体系中各组分的浓度未变，此时反应速率不变。③恒温恒压时充入与反应无关的气体体积增大反应体系中各组分的浓度减小反应速率减小。典例1500mL1mol·L－1的稀盐酸与锌反应，下列操作能使产生氢气的速率增大的是(C)A．在忽略接触面积变化的情况下，增加锌的质量B．将500mL1mol·L－1的稀盐酸改为1000mL1mol·L－1的稀盐酸C．用1mol·L－1的H2SO4溶液代替1mol·L－1的稀盐酸D．用浓硫酸代替1mol·L－1的稀盐酸解析：该反应的实质是2H＋＋Zn=Zn2＋＋H2↑，增大反应物浓度可使反应速率增大，由于纯固体、纯液体的浓度为定值，所以在忽略接触面积变化的情况下，增加锌的质量，不能增大反应速率。而将等浓度的盐酸由500mL变为1000mL，只是改变了溶液的体积，并未改变其浓度，所以反应速率不变。用1mol·L－1的H2SO4溶液代替1mol·L－1的稀盐酸，溶液中氢离子浓度增加一倍，所以反应速率增大。浓硫酸与锌反应不产生氢气。变式训练❶已知：反应Ⅰ2Fe3＋＋2I－=2Fe2＋＋I2；反应Ⅱ2S2Oeq\o\al(2－,3)＋I2=S4Oeq\o\al(2－,6)＋2I－。为研究反应Ⅰ速率与反应物浓度的关系，设计了对比实验，将下列溶液按表格中用量混合并开始计时，一段时间后蓝色出现，停止计时。组别溶液用量蓝色开始出现时刻0.02mol·L－1Fe2(SO4)30.04mol·L－1KI0.004mol·L－1Na2S2O3H2O1%淀粉120mL20mL5mL0mL5mLts220mL10mL5mL10mL5mL4ts310mL20mL5mL10mL5mL2ts下列说法不正确的是(B)A．根据“一段时间后蓝色出现”的现象，推知反应Ⅰ速率比反应Ⅱ慢B．若将实验中Na2S2O3浓度改为0.008mol·L－1，蓝色出现时间不受影响C．要提高反应Ⅰ速率，增大KI浓度比增大Fe2(SO4)3浓度更高效D．0－ts，实验1中反应平均速率v(Fe3＋)＝0.0004/tmol·L－1·s－1解析：根据“一段时间后蓝色出现”的现象，说明前一段时间内碘单质被消耗的速率比生成的速率大，推知反应Ⅰ速率比反应Ⅱ慢，A正确；若将实验中Na2S2O3浓度改为0.008mol·L－1，增大反应Ⅱ的反应物浓度，反应Ⅱ的速率加快，消耗I2的量增多，蓝色出现时间延长，B错误；C项，由表中第2和3组数据可知I－浓度大的反应时间短，则增大I－浓度比增大Fe3＋浓度更能提高反应Ⅰ的速率，即增大KI浓度比增大Fe2(SO4)3浓度更高效，C正确；D项，实验1中，n(S2Oeq\o\al(2－,3))＝0.004×5×10－3mol＝0.02×10－3mol，根据2Fe3＋～I2～2S2Oeq\o\al(2－,3)，反应消耗了n(Fe3＋)＝0.02×10－3mol,0～ts，实验1中反应平均速率v(Fe3＋)＝eq\f(Δn,VΔt)＝eq\f(0.02mol,(20＋20＋5＋5)×10－3L×ts)＝eq\f(0.0004,t)mol·L－1·s－1，D正确。知识点2温度、催化剂对化学反应速率的影响问题探究：1.对一个吸热反应，其他条件不变时，升高温度，它的反应速率也增大吗？2．活化能和反应速率有什么关系？3．催化剂一定都能增大化学反应速率吗？探究提示：1.增大；升高温度，活化分子百分数增大，单位时间内有效碰撞次数增加，无论是放热反应还是吸热反应，反应速率都增大。2．活化能越小，一般分子成为活化分子越容易，单位体积内活化分子越多，单位时间内有效碰撞次数越多，则反应速率越大。3．不一定。有的反应需要负催化剂，即有的催化剂可减小化学反应速率。知识归纳总结：1．温度对反应速率的影响。(1)规律：当其他条件不变时，(2)解释：(3)注意：所有化学反应的反应速率都与温度有关。2．催化剂对反应速率的影响。(1)影响规律：使用合适的催化剂，可增大化学反应速率。(2)微观解释：使用合适的催化剂→降低反应所需的活化能→单位体积内活化分子数增加→单位时间内有效碰撞次数增加→化学反应速率增大。(3)注意事项：①催化剂有正、负之分，正催化剂能增大反应速率，负催化剂能减小反应速率，不特别指明的条件下，均指正催化剂。②催化剂只有在一定温度下，才能最大限度地发挥其催化作用。典例2酸性KMnO4溶液和H2C2O4溶液反应的化学方程式为2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4=K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O。某研究小组利用该反应来探究温度对反应速率的影响，进行如下四组实验。每组实验分别在0℃和80℃条件下进行。试判断最能实现研究目的的一组实验是(C)组别KMnO4H2SO4H2C2O4温度℃记录的数据VmLCmol·L－1VmLCmol·L－1VmLCmol·L－1A20.010.5120.10至气体不再产生所需要的时间80B20.10.5120.010至气体不再产生所需要的时间80C20.010.5120.10溶液完全褪色所需要的时间80D20.10.5120.010溶液完全褪色所需要的时间80解析：探究温度对反应速率的影响，即控制的变量是温度，就这一点A、B、C、D都符合要求；气体不再产生的现象做为反应终点，不易控制，A、B不符合题意；B、D选项KMnO4过量，无法看到溶液完全褪色的现象。故选C。变式训练❷下列反应中，开始时放出氢气的速率最大的是(C)选项金属酸溶液的浓度和体积温度/℃A2.4g锌片3mol·L－1硫酸溶液100mL40B2.4g锌粉1mol·L－1硫酸溶液300mL30C2.4g锌粉3mol·L－1硫酸溶液100mL40D5.6g锌片3mol·L－1硫酸溶液200mL30解析：C项中锌的表面积最大，硫酸的浓度最大，温度最高，故反应速率最快。有效碰撞理论和反应速率影响因素的关系影响外因单位体积内有效碰撞几率化学反应速率分子总数活化分子数活化分子百分数增大反应物浓度增加增加不变增加加快增大压强增加增加不变增加加快升高温度不变增加增大增加加快催化剂不变增加增大增加加快1．足量铁粉与100mL0.01mol·L－1的稀盐酸反应，反应速率太慢。为了加快此反应速率而不改变H2的产量，可以使用如下方法中的(D)①加H2O②加NaOH固体③滴入几滴浓盐酸④加CH3COONa固体⑤加NaCl溶液⑥滴入几滴硫酸铜溶液⑦升高温度(不考虑盐酸挥发)⑧改用50mL0.01mol·L－1的稀硫酸A．①④⑤ B．②④⑤C．③⑥⑦ D．⑥⑦⑧解析：①加水，稀释了盐酸的浓度，故反应速率变慢，故不选；②加NaOH固体，与盐酸反应，减少了盐酸的浓度，故反应速率变慢，故不选；③滴入几滴浓盐酸，反应速率加快，但生成的氢气也增多，故不选；④加CH3COONa固体与盐酸反应生成弱酸醋酸，故反应速率减慢，故不选；⑤加NaCl溶液，相当于稀释盐酸浓度，故反应速率变慢，故不选；⑥滴入几滴硫酸铜溶液，铁把铜置换出来，形成原电池，故反应速率加快，铁粉又足量，故不改变H2的产量，故选；⑦升高温度，反应速率加快，不改变H2的产量，故选；⑧改用50mL0.01mol·L－1的稀硫酸，则氢离子浓度增大，但物质的量不变，所以反应速率加快，不改变H2的产量，故选。2．为了研究外界条件对H2O2分解反应速率的影响，某同学在4支试管中分别加入3mLH2O2溶液，并测量收集VmL气体时所需的时间，实验记录如下：实验序号H2O2溶液浓度H2O2溶液温度(℃)催化剂所用时间①5%202滴1mol·L－1FeCl3t1②5%402滴1mol·L－1FeCl3t2③10%202滴1mol·L－1FeCl3t3④5%20不使用t4下列说法中，不正确的是(B)A．实验①②研究温度对反应速率的影响B．实验②④研究催化剂对反应速率的影响C．获得相同体积的O2：t1>t3D．实验③与④比较：t3<t4解析：实验①②中只有温度不同，故是研究温度对反应速率的影响，故A正确；实验②④中反应温度不同，不能研究催化剂对反应速率的影响，故B错误；①和③比较，③中过氧化氢的浓度大，反应速率快，若获得相同体积的氧气，①的用时长，故C正确；实验③与④比较，③中过氧化氢的浓度大，使用催化剂，故反应速率快，时间短，故D正确。3．在一氧化碳变换反应CO＋H2OCO2＋H2中，有关反应条件改变使反应速率增大的原因分析不正确的是(D)A．使用催化剂，活化分子百分数增大，有效碰撞几率增加B．升高温度，活化分子百分数增大，有效碰撞几率增加C．增大压强，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞几率增加D．增大c(CO)，活化分子百分数增大，有效碰撞几率增加4．某小组拟用酸性KMnO4溶液与H2C2O4溶液的反应(此反应为放热反应)来探究“条件对化学反应速率的影响”，并设计了如下的方案记录实验结果(忽略溶液混合体积变