第2章 第3节 第1课时 化学反应历程与化学反应速率 学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修1

第3节　化学反应的速率
第1课时　化学反应历程与化学反应速率
[学习目标]　1.知道化学反应是有历程的，认识基元反应。了解化学反应速率的概念及其表示方法，形成不同的反应可用不同的方法来表示化学反应速率的变化观念。2.根据化学反应速率的测定原理设计实验，学会化学反应速率的测定方法，通过对比的方法，发展基于变量关系的证据推理素养。
[重点难点]　1.化学反应速率的计算与比较。2.理解化学反应是有历程的。
　　　　　　　化学反应是有历程的
导学
1．基元反应
大多数化学反应都是分几步完成的。其中的每一步反应称为基元反应。
例如，氢气和氧气的混合气体在点燃或有催化剂存在的条件下，可以发生爆炸式反应生成液态水。实际上，这个反应大约要经历12步反应才能完成，主要的四步反应如下：
H22H·
H·＋O2―→·OH＋O·
O·＋H2―→·OH＋H·
·OH＋H2―→H2O＋H·
以上每一步都是氢气和氧气生成水的反应中的一个基元反应。
2．反应历程
(1)含义：基元反应构成的反应序列称为反应历程(又称反应机理)。基元反应的总和称为总反应。由几个基元反应组成的总反应也称复杂反应。有一些化学反应是反应物一步直接转化为反应产物，其总反应就是基元反应，这类反应又称为简单反应。
(2)特点：反应不同，反应历程不同；同一反应在不同条件下的反应历程也可能不同。
提醒　平常所写的化学方程式是总反应的化学方程式，它只能表示出最初的反应物和最终的反应产物以及它们之间的化学计量关系。
3．化学反应速率千差万别的原因
反应物的结构和反应条件决定着一个反应的反应历程，反应历程的差别是造成化学反应速率不同的主要原因。
导思
1．判断正误
(1)在常温下，H2与O2混合，看不到有水生成，原因是常温下，2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)的平衡常数很小(　　)
(2)所有的化学反应，都是反应物先断键变成单个原子，然后原子再重新结合成新的物质(　　)
(3)同一化学反应，不同条件下，可能有不同的反应历程(　　)
(4)若一个化学反应分多步完成，总反应的快慢由基元反应中最慢的一步决定(　　)
(5)H＋＋OH－===H2O既是基元反应又是总反应(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√
2．由反应物微粒一步直接实现的化学反应称为基元反应。某化学反应是通过三步基元反应实现：①Ce4＋＋Mn2＋―→Ce3＋＋Mn3＋；②Ce4＋＋Mn3＋―→Ce3＋＋Mn4＋；③Ti＋＋Mn4＋―→Ti3＋＋Mn2＋。由此可知：
(1)该反应的总反应的方程式为2Ce4＋＋Ti＋===2Ce3＋＋Ti3＋。
(2)该反应的催化剂是Mn2＋。
解析　催化剂是在化学反应里能改变反应物的化学反应速率(既能提高也能降低)，而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。从题中所给的三步基元反应可以看出Ce4＋最终变为Ce3＋，Ti＋变为Ti3＋，Mn2＋没变，故为催化剂。
3．甲烷气相热分解反应的化学方程式为2CH4―→CH3—CH3＋H2，该反应的机理如下：
①CH4―→·CH3＋·H；
②____________________________；
③CH4＋H·―→·CH3＋H2；
④·CH3＋H·―→CH4。
补充反应②的方程式。
答案　·CH3＋CH4―→C2H6＋H·
解析　烷烃的热分解反应，是典型的自由基反应，自由基反应一般经历链引发、链传递、链终止的过程，故第二步反应属于链传递环节，产物中还有自由基生成，且生成物有乙烷，故确定其反应原理为·CH3＋CH4―→C2H6＋H·。
导练
1．氮气与氢气在催化剂表面发生合成氨反应的微粒变化历程如图所示。
下列关于反应历程的先后顺序排列正确的是(　　)
A．④③①② B．③④①②
C．③④②① D．④③②①
答案　A
解析　物质发生化学反应就是构成物质的微粒重新组合的过程，分子分解成原子，原子再重新组合成新的分子，新的分子构成新的物质，氢分子和氮分子都是由两个原子构成，它们在固体催化剂的表面会分解成单个的原子，原子再组合成新的氨分子。
2．利用某分子筛作催化剂，NH3可脱除废气中的NO和NO2，生成两种无毒物质，其反应历程如图所示：
(1)X是N2、H2O。
(2)上述历程的总反应为2NH3＋NO＋NO22N2＋3H2O。
(3)由反应历程可知，[(NH4)(HNO2)]＋是该反应的中间产物。
解析　(1)图示反应可以生成X的反应为[(NH4)2(NO2)]2＋＋NO===[(NH4)(HNO2)]＋＋X＋H＋，由原子守恒判断X为N2和H2O。(2)由反应历程图可知，氨气、二氧化氮和一氧化氮是反应物，氮气与水是生成物，所以总反应为2NH3＋NO＋NO22N2＋3H2O。(3)由反应历程可知，[(NH4)(HNO2)]＋是该反应的中间产物。
在催化循环反应体系中：
催化剂首先直接和原料反应，反应前后存在，反应过程中不存在，催化剂可循环再生，即“失而复得”；而中间体(中间产物)只在反应过程中出现。
　　　　　　　化学反应速率的表示方法及测定
导学
1．化学反应速率的表示方法
(1)含义
描述化学反应进行快慢的物理量。
(2)用某物质表示的化学反应速率
①对于反应体系体积不变的化学反应aA＋bB===dD＋eE，用单位时间内某物质浓度(或质量、物质的量等)的改变量(取绝对值)来表示该物质的化学反应速率。
②计算公式
v(A)＝，常用单位为mol·L－1·s－1、mol·L－1·min－1或mol·L－1·h－1。
③特点：a.用不同的反应物或反应产物表示的化学反应速率的数值往往不同，但表示的意义相同。
b．用各物质表示的化学反应速率的数值之比等于化学方程式中各物质化学式前的系数之比，如对于化学反应：aA＋bB===dD＋eE，v(A)∶v(B)∶v(D)∶v(E)＝a∶b∶d∶e。
(3)具体化学反应的反应速率
对于反应体系体积不变的化学反应aA＋bB===dD＋eE。
①定义式
v＝·＝·＝·＝·。
即：v＝v(A)＝v(B)＝v(D)＝v(E)。
②优点：对于一个化学反应来说，无论用哪一种物质表示，化学反应速率都相同。
2．化学反应速率的测定
(1)测定原理
由于物质的某些物理性质(如压强、体积、吸光度、电导率等)与其物质的量或浓度存在函数关系，因此人们常用物理方法，通过准确而快速地测定反应物或反应产物浓度的变化来确定化学反应速率。
(2)测定方法
①量气法：通过测量释放出一定体积的气体的时间来测定反应速率，或测定一定时间内气体压强的变化来测定反应速率。
②比色法：用分光光度计测量物质对特定波长光波的吸光度，从而测定参与反应的某一物质的浓度，据此计算化学反应速率。
③电导法：根据离子导电能力的差异，可以通过电导率的变化测定反应物中离子浓度的变化，进而计算化学反应速率。
导思
1．判断正误
(1)化学反应方程式中，任何一种物质均可用v＝求出该物质表示的化学反应速率(　　)
(2)可逆反应的正反应速率，必须用单位时间内反应物的改变量来表示(　　)
(3)化学反应速率越大，化学反应的现象越明显(　　)
(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，表示化学反应速度越快(　　)
(5)化学反应速率可以表示为单位时间内某种物质的物质的量的变化量(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√
2．某实验小组用如下方法测定锌与稀硫酸反应的速率。
①按下图所示安装装置，加入锌粒，然后快速加入40 mL 1 mol·L－1硫酸，测量收集10 mL H2所用的时间。
②按图示再安装一套装置，加入与前一套装置相同的锌粒，然后再快速加入40 mL 4 mol·L－1的硫酸，测量收集10 mL H2所用的时间。
③实验观察到的现象：锌跟硫酸反应产生气泡；收集10 mL气体②所用时间比①所用时间短。
④实验结论：其他条件相同时，4 mol·L－1硫酸与锌反应比1 mol·L－1硫酸与锌反应快。
回答下列问题：
(1)通过以上实验现象，你会得到什么结论？
(2)是否反应速率越快，反应现象越明显？
(3)上述实验是如何比较反应速率的？
(4)已知反应Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，你有几种方法测定该反应的反应速率？评价这几种方案中，最容易操作的是哪一种？
提示　(1)其他条件相同时，4 mol·L－1硫酸与锌反应比1 mol·L－1硫酸与锌反应快。说明其他条件相同时，反应物的浓度越大，反应速率越快。
(2)不是，反应现象是否明显与反应速率大小没有因果关系。
(3)该实验是通过产生相同体积的氢气所用时间的长短进行比较的。
(4)①测量收集一定体积的H2时所用的时间或测量一段时间内收集到H2的体积。
②测量一段时间内溶液中H＋浓度的变化。
③测量一段时间内锌粒质量的变化。
以上三种方法中第①种方法最容易操作。
导练
1．化学反应速率是通过实验测定的，下列化学反应速率的测量中，测量依据不可行的是(　　)
选项 化学反应 测量依据(单位时间内)
A CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) 压强变化
B Zn(s)＋H2SO4(aq)===ZnSO4(aq)＋H2(g) 氢气体积
C 2NO2(g)??N2O4(g) 颜色深浅
D Ca(OH)2(aq)＋Na2CO3(aq)===CaCO3(s)＋2NaOH(aq) 沉淀质量
答案　A
解析　化学反应速率用单位时间内反应物浓度的减少或反应产物浓度的增加来表示。A项，该反应是反应前后气体分子数不变的反应，反应前后压强不变；B项，单位时间内H2体积变化大，速率快；C项，2NO2(g)??N2O4(g)，NO2是红棕色气体，N2O4是无色气体，可以用单位时间内气体颜色的变化来衡量反应的快慢；D项，单位时间内产生沉淀的质量越多，速率越快。
2．为了提高煤的利用率，人们先把煤转化为CO和H2，再将它们转化为甲醇，某实验人员在一定温度下的密闭容器中，充入一定量的H2和CO，发生反应：2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)，测定的部分实验数据如下表：
t/s 0 500 s 1 000 s
c(H2)/(mol·L－1) 5.00 3.52 2.48
c(CO)/(mol·L－1) 2.50
(1)在500 s内用H2表示的化学反应速率是多少？
(2)在1 000 s内用CO表示的化学反应速率是多少？1 000 s时H2的转化率是多少？
答案　(1)2.96×10－3 mol·L－1·s－1
(2)1.26×10－3 mol·L－1·s－1　50.4%
解析　(1)在500 s内，v(H2)＝＝2.96×10－3 mol·L－1·s－1。
(2)在1 000 s时已反应的H2的浓度是Δc(H2)＝5.00 mol·L－1－2.48 mol·L－1＝2.52 mol·L－1，则已反应的CO的浓度是Δc(CO)＝Δc(H2)＝1.26 mol·L－1，用CO表示的化学反应速率为v(CO)＝＝1.26×10－3 mol·L－1·s－1，H2的转化率为×100%＝50.4%。
　　　　　　　化学反应速率的计算与比较
导学
1．化学反应速率的计算——“三段式”法
利用转化量之比等于化学计量数之比建立各数据间的关系
如：　　　　　　　　mA(g)＋nB(g)??pC(g)
起始/(mol·L－1)　　　　a　　　b　　　c
转化/(mol·L－1)　　　　x　　　　　　
某时刻(t s)/(mol·L－1)　a－x　　b－　c＋
再利用化学反应速率的定义求算
v(A)＝ mol·L－1·s－1；
v(B)＝ mol·L－1·s－1；
v(C)＝ mol·L－1·s－1。
(1)三段式中只有转化量与化学计量数成正比关系，其余量均不一定。
(2)计算中注意以下量的关系：
对反应物：c(起始)－c(转化)＝c(某时刻)；
对反应产物：c(起始)＋c(转化)＝c(某时刻)；
物质的转化率＝×100%。
2．化学反应速率的比较方法
(1)定性比较
通过明显的实验现象，如反应的剧烈程度、产生气泡或沉淀的快慢、固体消失或气体充满所需时间的长短等来定性判断化学反应的快慢。如K与水反应比Na与水反应剧烈，则反应速率：K>Na。
(2)定量比较
①“一看”：看化学反应速率的单位是否一致，若不一致，需转化为同一单位。
②“二化”：将不同物质的化学反应速率转化成同一物质的化学反应速率，或分别除以相应物质的化学计量数，所得数值大的速率大。
③“三比较”：标准统一后比较数值大小，数值越大，反应速率越大。
导练
1．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)＝0.45 mol·L－1·s－1；②v(B)＝0.6 mol·L－1·s－1；③v(C)＝0.4 mol·L－1·s－1；④v(D)＝0.45 mol·L－1·s－1。
下列有关反应速率的比较中正确的是(　　)
A．④>③＝②>① B．①>②>③>④
C．①>④>②＝③ D．④>③>②>①
答案　C
解析　由v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝1∶3∶2∶2可得：①v(A)＝0.45 mol·L－1·s－1；
②3v(A)＝v(B)，v(A)＝0.2 mol·L－1·s－1；
③2v(A)＝v(C)，v(A)＝0.2 mol·L－1·s－1；
④2v(A)＝v(D)，v(A)＝0.225 mol·L－1·s－1。
综上所述，①>④>②＝③。
2.根据如图所示图像填空：
(1)反应物是________，反应产物是________。
(2)在2 min内用A、B、C表示的化学反应速率分别为________、__________、__________。
(3)该化学反应的反应速率v＝__________。
答案　(1)A、B　C　
(2)3 mol·L－1·min－1　2 mol·L－1·min－1　3 mol·L－1·min－1
(3)1 mol·L－1·min－1
解析　已知在反应过程中反应物的量减少，反应产物的量增多，故A、B为反应物，C为反应产物，由速率的定义不难得出：
v(A)＝ mol·L－1·min－1＝3 mol·L－1·min－1，v(B)＝ mol·L－1·min－1＝2 mol·L－1·min－1，v(C)＝ mol·L－1·min－1＝3 mol·L－1·min－1，故三者的化学计量数之比依次为3∶2∶3，又因最终各物质的浓度不变且均不为零，故为可逆反应，其化学方程式为3A＋2B??3C。则v＝v(A)＝1 mol·L－1·min－1。
1．在反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)中，经过一段时间后，NH3的浓度增加了0.6 mol·L－1，在此段时间内用H2表示的平均反应速率为0.45 mol·L－1·s－1，则此段时间是_______s。
答案　2
解析　已知用H2表示的平均反应速率为0.45 mol·L－1·s－1，则用NH3表示的平均反应速率为v(NH3)＝v(H2)＝×0.45 mol·L－1·s－1＝0.3 mol·L－1·s－1，所以Δt＝＝2 s。
2．用甲、乙两装置测定锌与稀硫酸的反应速率。下列说法错误的是(　　)
A．甲、乙两实验均需要秒表
B．实验前将乙装置注射器活塞外拉，放开后若回到原位，说明气密性良好
C．其他条件相同时，甲装置所测速率比乙装置误差小
D．甲、乙装置通过测定单位时间内锌的质量变化测定反应速率
答案　CD
解析　甲、乙两装置需要测定单位时间内产生氢气的体积，需要用到秒表，故A正确；实验前将乙装置注射器活塞外拉，体系内压强减小，若气密性良好，在外界大气压作用下，活塞会回到原位，故B正确；甲、乙装置通过测定单位时间内产生氢气的体积测定反应速率，故D错误。
3．Ⅰ.将等物质的量A、B混合于2 L的密闭容器中，发生反应：3A(g)＋B(g)??xC(g)＋2D(g)，经5 min后测得D的浓度为0.5 mol·L－1，c(A)∶c(B)＝3∶5，C的平均反应速率是0.1 mol·L－1·
min－1。
(1)经5 min后A的浓度为______________。
(2)反应开始前充入容器中B的物质的量为_____________________________________。
(3)B的平均反应速率为________________。
(4)x的值为________________。
Ⅱ.对于反应A(g)＋3B(g)===2C(g)＋2D(g)，下列分别表示不同条件下的反应速率，则反应速率大小关系是______________________(填序号)。
①v(A)＝0.01 mol·L－1·s－1
②v(B)＝1.20 mol·L－1·min－1
③v(C)＝2.40 mol·L－1·min－1
④v(D)＝0.02 mol·L－1·s－1
答案　Ⅰ.(1)0.75 mol·L－1　(2)3 mol　(3)0.05 mol·L－1·min－1　(4)2　Ⅱ.③>①＝④>②
解析　Ⅰ.(1)C的平均反应速率是0.1 mol·L－1·min－1，则生成C的物质的量是1 mol，生成D的物质的量为1 mol，根据物质的量变化量之比等于相应的化学计量数之比可知，x＝2。则
　　　　　　3A(g)＋　　B(g)??2C(g)＋2D(g)
起始/mol　　n　　　　　n　　　0　　　0
转化/mol　　1.5　　　　0.5　　　1.0　　1.0
平衡/mol　　n－1.5　　n－0.5　　1.0　　1.0
所以有(n－1.5)∶(n－0.5)＝3∶5
解得n＝3，所以此时A物质的浓度为0.75 mol·L－1。(2)由以上分析可得反应开始前充入容器中B的物质的量为3 mol。(3)化学反应速率之比等于相应的化学计量数之比，C的平均反应速率是0.1 mol·L－1·min－1，所以B的平均反应速率为0.05 mol·L－1·min－1。
Ⅱ.比较不同条件下的反应速率时应转化成同一物质的速率进行比较，根据化学反应速率之比等于化学计量数之比进行转换，以A的速率为标准，①对应的v(A)＝0.01 mol·L－1·s－1＝0.6 mol·L－1·min－1；②对应的v(A)＝＝＝0.4 mol·L－1·min－1；③v(A)＝＝＝1.20 mol·L－1·min－1；④v(A)＝＝＝0.6 mol·L－1·min－1。可知反应速率的大小关系为③>①＝④>②。
4.MnO2催化某反应的一种催化机理如图所示。下列叙述不正确的是(　　)
A．催化过程中，所发生的反应均为氧化还原反应
B．该反应的化学方程式可表示为HCHO＋O2CO2＋H2O
C．O为中间产物之一，该微粒与KO2中所含阴离子种类相同
D．CO2的结构式为O==C==O
答案　A
解析　催化过程中，总反应为HCHO＋O2CO2＋H2O，反应机理为水和氧气在二氧化锰作催化剂的条件下生成H＋、O、·OH，HCHO和·OH反应生成·CHO和H2O，·CHO和O反应生成HCO，都有化合价的变化，都属于氧化还原反应，HCO和H＋反应生成水和二氧化碳没有化合价的变化，不属于氧化还原反应，故A错误、B正确；根据分析可知，O为中间产物之一，KO2中含有K＋和阴离子O，该微粒与KO2中所含阴离子种类相同，故C正确；CO2中的碳原子最外层含有4个电子，分别与两个氧原子形成两对共用电子，结构式为O==C==O，故D正确。