2.1.4反应机理、变量控制与图像分析 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1
文档属性
| 名称 | 2.1.4反应机理、变量控制与图像分析 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 826.3KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-09-07 19:31:15 | ||
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文档简介
第4课时 反应机理、变量控制与图像分析
[核心素养发展目标]
1.利用变量控制思维设计实验，基于图像分析反应速率及其影响因素。
2.从微观角度认识反应历程中能量变化与反应速率的关系。
一、反应机理
1．(2021·山东，14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为：＋OH－＋CH3O－能量变化如图所示。已知为快速平衡，下列说法正确的是( )
A．反应Ⅱ、Ⅲ为决速步
B．反应结束后，溶液中存在18OH－
C．反应结束后，溶液中存在CH318OH
D．反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变
2．(2021·湖南，14改编)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HCOOHCO2↑＋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元素的化合价未发生变化
D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定
二、变量控制
1．(2022·广州高二期中)某兴趣小组将下表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，以研究硫酸铜的浓度对稀硫酸与锌反应生成氢气速率的影响。下列判断不正确的是( )
A B C D E F
4 mol·L－1 H2SO4/mL 30 V1 V2 V3 V4 V5
饱和CuSO4溶液/mL 0 0.5 2.5 5 V6 20
H2O/mL V7 V8 V9 V10 10 0
A.V1＝30，V6＝10，V7＝20
B．本实验利用了控制变量思想，变量为Cu2＋浓度
C．反应一段时间后，实验A中的金属呈灰黑色，实验F的金属呈红色
D．该小组的实验结论是硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用
2．(2022·四川遂宁高二期末)某实验小组利用0.1 mol·L－1Na2S2O3溶液与0.2 mol·L－1H2SO4溶液反应研究外界条件对化学反应速率的影响，设计实验如下：(已知Na2S2O3＋H2SO4===
Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O)
实验编号 温度/℃ V(Na2S2O3)/mL V(H2SO4)/mL V(H2O)/mL 出现浑浊时间/s
① 20 5.0 10.0 0 t1
② 20 5.0 5.0 5.0 t2
③ 50 5.0 10.0 0 t3
下列说法正确的是( )
A．t1＞t2＞t3
B．实验①②③均应将Na2S2O3溶液逐滴滴入H2SO4溶液中
C．实验②中加入5.0 mL H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致
D．实验②③可探究温度对化学反应速率的影响
3．目前，汽车厂商常利用催化技术将汽车尾气中的CO和NO转化成CO2和N2，反应的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。为研究如何提高该转化过程的反应速率，降低NO、CO的污染，某课题组进行了以下实验探究。
[资料查阅] ①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。
[实验设计] 该课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验。
(1)完成下列实验设计：
实验编号 实验目的 T/℃ NO初始浓度/ (mol·L－1) CO初始浓度/ (mol·L－1) 同种催化剂的比表面积/ (m2·g－1)
Ⅰ 为以下实验作参照 280 6.50×10－3 4.00×10－3 80
Ⅱ ①____ ②____ ③______ ④______ 120
Ⅲ 探究温度对尾气转化速率的影响 360 ⑤________ ⑥________ 80
[图像分析与结论] 利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线，如图所示。
(2)由曲线Ⅲ可知，0～ min内，用NO表示的反应速率为_____________________。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，汽车尾气转化速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
三、图像分析
1．反应速率图像分析
化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。
(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)
v－c(H＋)图像 v－T(温度)图像 v－t (时间)图像
说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋)逐渐减小，化学反应速率减小
(2)密闭容器中的反应速率图像分析(如：N2＋3H22NH3)
v－p(压强)图像 v－V(容积)图像 v－t(时间)图像 v－p、T(T1提醒 分析图像时特别关注图像中坐标轴、起点、终点、拐点、图像变化趋势等。
2．反应速率相关量的图像分析
化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、质量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：
(1)物质的量与时间关系图像
特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算化学反应速率或确定化学方程式。
(2)浓度与时间关系图像
特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。
1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是( )
A．反应时间 B．温度
C．压强 D．N2的浓度
2．下列表格中的各种情况，可以用对应图像表示的是( )
选项 反应 甲 乙
A 外形、大小相同的金属与水反应 Na K
B 不同浓度的H2C2O4溶液各2 mL分别与4 mL 0.01 mol·L－1的KMnO4溶液反应 0.1 mol·L－1的H2C2O4溶液 0.2 mol·L－1的H2C2O4溶液
C 5 mL 0.1 mol·L－1 Na2S2O3溶液与5 mL 0.1 mol·L－1 H2SO4溶液反应 热水 冷水
D 5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2 无MnO2粉末 加MnO2粉末
3.为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是( )
A．25 ℃时，在10～30 min内，R的平均分解速率为0.030 mol·L－1·min－1
B．对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的分解百分率相等
C．对比30 ℃和25 ℃曲线，在0～50 min内，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大
D．对比30 ℃和10 ℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大
4．研究反应2X(g)Y(g)＋Z(g)的速率影响因素，在不同条件下进行4组实验，Y、Z起始浓度为0，反应物X的浓度(mol·L－1)随反应时间(min)的变化情况如图所示。下列说法不正确的是( )
A．比较实验②④得出：升高温度，化学反应速率加快
B．比较实验①②得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快
C．若实验②③只有一个条件不同，则实验③使用了催化剂
D．在0～10 min内，实验②的平均反应速率v(Y)＝0.04 mol·L－1·min－1
第4课时 反应机理、变量控制与图像分析
[核心素养发展目标] 1.利用变量控制思维设计实验，基于图像分析反应速率及其影响因素。2.从微观角度认识反应历程中能量变化与反应速率的关系。
一、反应机理
1．(2021·山东，14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为：＋OH－＋CH3O－能量变化如图所示。已知为快速平衡，下列说法正确的是( )
A．反应Ⅱ、Ⅲ为决速步
B．反应结束后，溶液中存在18OH－
C．反应结束后，溶液中存在CH318OH
D．反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变
答案 B
解析 一般来说，反应的活化能越高，反应速率越慢，由图可知，反应Ⅰ和反应Ⅳ的活化能较高，因此反应的决速步为反应Ⅰ、Ⅳ，故A错误；反应Ⅰ为加成反应，而为快速平衡，反应Ⅱ的成键和断键方式为或，后者能生成18OH－，因此反应结束后，溶液中存在18OH－，故B正确；反应Ⅲ的成键和断键方式为或，因此反应结束后溶液中不会存在CH318OH，故C错误；该总反应对应反应物的总能量高于生成物的总能量，总反应为放热反应，因此和CH3O－的总能量与和OH－的总能量之差等于图示总反应的焓变，故D错误。
2．(2021·湖南，14改编)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HCOOHCO2↑＋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元素的化合价未发生变化
D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定
答案 D
解析 由反应机理可知，HCOOH电离出氢离子后，HCOO－与催化剂结合，放出二氧化碳，然后又结合氢离子转化为氢气，所以总反应化学方程式为HCOOHCO2↑＋H2↑，故A正确；若氢离子浓度过低，则反应Ⅲ→Ⅳ的反应物浓度降低，反应速率减慢，若氢离子浓度过高，则会抑制甲酸的电离，使甲酸根离子浓度降低，反应Ⅰ→Ⅱ速率减慢，所以氢离子浓度过高或过低，均导致反应速率减慢，故B正确；由反应进程可知，反应Ⅳ→Ⅰ能垒最大，反应速率最慢，对该过程的总反应起决定作用，故D错误。
二、变量控制
1．(2022·广州高二期中)某兴趣小组将下表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，以研究硫酸铜的浓度对稀硫酸与锌反应生成氢气速率的影响。下列判断不正确的是( )
A B C D E F
4 mol·L－1 H2SO4/mL 30 V1 V2 V3 V4 V5
饱和CuSO4溶液/mL 0 0.5 2.5 5 V6 20
H2O/mL V7 V8 V9 V10 10 0
A.V1＝30，V6＝10，V7＝20
B．本实验利用了控制变量思想，变量为Cu2＋浓度
C．反应一段时间后，实验A中的金属呈灰黑色，实验F的金属呈红色
D．该小组的实验结论是硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用
答案 D
解析 本实验研究硫酸铜的浓度对反应速率的影响，则每组硫酸的量要保持相同，6组实验溶液的总体积也应该相同，根据实验A和实验F的数据，可知V1＝30，V6＝10，V7＝20，A项正确；本实验利用控制变量思想，通过改变铜离子浓度来研究硫酸铜的浓度对反应速率的影响，B项正确；反应一段时间后，实验A中的金属为Zn，呈灰白色，实验F中的金属为Cu，呈红色，C项正确；硫酸铜的浓度较小时，锌与置换出的铜形成原电池，化学反应速率加快，硫酸铜的浓度较大时，锌与硫酸铜反应生成的铜会附着在锌上，阻碍锌与硫酸反应，氢气生成速率下降，故硫酸铜的浓度与生成氢气的速率不成正比，不能证明硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用，D项错误。
2．(2022·四川遂宁高二期末)某实验小组利用0.1 mol·L－1Na2S2O3溶液与0.2 mol·L－1H2SO4溶液反应研究外界条件对化学反应速率的影响，设计实验如下：(已知Na2S2O3＋H2SO4===
Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O)
实验编号 温度/℃ V(Na2S2O3)/mL V(H2SO4)/mL V(H2O)/mL 出现浑浊时间/s
① 20 5.0 10.0 0 t1
② 20 5.0 5.0 5.0 t2
③ 50 5.0 10.0 0 t3
下列说法正确的是( )
A．t1＞t2＞t3
B．实验①②③均应将Na2S2O3溶液逐滴滴入H2SO4溶液中
C．实验②中加入5.0 mL H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致
D．实验②③可探究温度对化学反应速率的影响
答案 C
解析 温度越高、浓度越大，反应速率越快，则t2＞t1＞t3，故A错误；应保证Na2S2O3溶液完全反应，则实验①②③均应将H2SO4溶液迅速加入Na2S2O3溶液中，B错误；由控制变量法可知，溶液总体积相同，则实验②中加入5.0 mol H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致，C正确；实验②③中温度及硫酸浓度均不同，不能探究温度对化学反应速率的影响，D错误。
3．目前，汽车厂商常利用催化技术将汽车尾气中的CO和NO转化成CO2和N2，反应的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。为研究如何提高该转化过程的反应速率，降低NO、CO的污染，某课题组进行了以下实验探究。
[资料查阅] ①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。
[实验设计] 该课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验。
(1)完成下列实验设计：
实验编号 实验目的 T/℃ NO初始浓度/ (mol·L－1) CO初始浓度/ (mol·L－1) 同种催化剂的比表面积/ (m2·g－1)
Ⅰ 为以下实验作参照 280 6.50×10－3 4.00×10－3 80
Ⅱ ①____ ②____ ③______ ④______ 120
Ⅲ 探究温度对尾气转化速率的影响 360 ⑤________ ⑥________ 80
[图像分析与结论] 利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线，如图所示。
(2)由曲线Ⅲ可知，0～ min内，用NO表示的反应速率为_____________________。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，汽车尾气转化速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)①探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响 ②280 ③6.50×10－3 ④4.00×10－3 ⑤6.50×10－3 ⑥4.00×10－3
(2)3.00×10－3 mol·L－1·min－1
(3)增大
解析 (1)影响化学反应速率的因素有浓度、压强、温度和催化剂的比表面积，而要想探究一种影响因素，必须保持其他影响因素一致；根据实验Ⅲ的实验目的是探究温度对尾气转化速率的影响，故实验Ⅲ和Ⅰ的区别是温度不同，其他因素必须保持一致，故实验Ⅲ中NO初始浓度为6.50×10－3 mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3 mol·L－1；而通过对比实验Ⅱ和Ⅰ的条件可知，两者的区别是催化剂的比表面积不同，故其他影响因素均应相同，故实验Ⅱ中温度为280 ℃，NO初始浓度为6.50×10－3 mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3 mol·L－1，而且实验Ⅱ探究的是催化剂比表面积对尾气转化速率的影响。
(2)通过曲线 Ⅲ 可知， min时CO的浓度为2.00×10－3 mol·L－1，可得出CO的浓度的变化量Δc(CO)＝2.00×10－3 mol·L－1－4.00×10－3 mol·L－1＝－2.00×10－3 mol·L－1，在一个反应中，各物质的浓度的变化量之比等于其化学计量数之比，故NO的浓度的变化量Δc(NO)＝－2.00
×10－3 mol·L－1，故用NO表示的反应速率为＝－＝＝3.00×10－3 mol·
L－1·min－1。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，缩短了达到平衡的时间，故增大了反应速率。
三、图像分析
1．反应速率图像分析
化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。
(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)
v－c(H＋)图像 v－T(温度)图像 v－t(时间)图像
说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋)逐渐减小，化学反应速率减小
(2)密闭容器中的反应速率图像分析(如：N2＋3H22NH3)
v－p(压强)图像 v－V(容积)图像 v－t(时间)图像 v－p、T(T1提醒 分析图像时特别关注图像中坐标轴、起点、终点、拐点、图像变化趋势等。
2．反应速率相关量的图像分析
化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、质量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：
(1)物质的量与时间关系图像
特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算化学反应速率或确定化学方程式。
(2)浓度与时间关系图像
特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。
1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是( )
A．反应时间
B．温度
C．压强
D．N2的浓度
答案 A
解析 由题图可知，v(N2)随横轴值的增大而增大。对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)来说，其他条件不变时，升高温度、增大压强、增大N2的浓度，都能使v(N2)增大。在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应过程中，随着时间的增加，N2的浓度逐渐减小，v(N2)逐渐减小。
2．下列表格中的各种情况，可以用对应图像表示的是( )
选项 反应 甲 乙
A 外形、大小相同的金属与水反应 Na K
B 不同浓度的H2C2O4溶液各2 mL分别与 4 mL 0.01 mol·L－1的KMnO4溶液反应 0.1 mol·L－1的H2C2O4溶液 0.2 mol·L－1的H2C2O4溶液
C 5 mL 0.1 mol·L－1 Na2S2O3溶液与5 mL 0.1 mol·L－1 H2SO4溶液反应 热水 冷水
D 5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2 无MnO2粉末 加MnO2粉末
答案 C
解析 Na、K分别与水反应，K更活泼，反应更快，A项不正确；其他条件相同，H2C2O4溶液浓度越大反应速率越快，B项不正确；浓度相同，温度越高反应速率越快，随着反应的进行，反应物的浓度减小，反应速率减小，C项正确；使用催化剂的反应速率更快，D项不正确。
3．为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是( )
A．25 ℃时，在10～30 min内，R的平均分解速率为0.030 mol·L－1·min－1
B．对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的分解百分率相等
C．对比30 ℃和25 ℃曲线，在0～50 min内，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大
D．对比30 ℃和10 ℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大
答案 D
解析 由图像可知，25 ℃时，在10～30 min内，R的浓度变化为0.8 mol·L－1－1.4 mol·L－1＝－0.6 mol·L－1，R的平均分解速率v＝－＝＝0.030 mol·L－1·min－1，A项正确；由图像可知，对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的浓度均为0，说明R完全分解，所以R的分解百分率相等，均为100%，B项正确；由图像可知，25 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为－＝＝0.026 mol·L－1·min－1,30 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为＝0.032 mol·L－1·min－1，虽然30 ℃曲线反应物的起始浓度较小，但在0～50 min内，R的平均分解速率仍比25 ℃曲线大(或30 ℃曲线斜率比25 ℃曲线大)，说明R的平均分解速率随温度升高而增大，C项正确；对比30 ℃和10 ℃曲线，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大，但30 ℃曲线反应物的起始浓度大，R的分解速率也相应大，因此在同一时刻不能说明R的分解速率随温度升高而增大，D项错误。
4．研究反应2X(g)Y(g)＋Z(g)的速率影响因素，在不同条件下进行4组实验，Y、Z起始浓度为0，反应物X的浓度(mol·L－1)随反应时间(min)的变化情况如图所示。下列说法不正确的是( )
A．比较实验②④得出：升高温度，化学反应速率加快
B．比较实验①②得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快
C．若实验②③只有一个条件不同，则实验③使用了催化剂
D．在0～10 min内，实验②的平均反应速率v(Y)＝0.04 mol·L－1·min－1
答案 D
解析 实验②④起始浓度相同，但温度不同，实验④反应速率较大，则可得出：升高温度，化学反应速率加快，故A正确；实验①②温度相同，但浓度不同，实验①浓度较大，则可得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快，故B正确；实验②③温度、浓度相同，实验③反应速率较大，应为加入了催化剂，故C正确；在0～10 min之间，实验②中X的浓度变化为0.2 mol·L－1，则v(Y)＝v(X)＝×＝0.01 mol·L－1·min－1，故D错误。
[核心素养发展目标]
1.利用变量控制思维设计实验，基于图像分析反应速率及其影响因素。
2.从微观角度认识反应历程中能量变化与反应速率的关系。
一、反应机理
1．(2021·山东，14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为：＋OH－＋CH3O－能量变化如图所示。已知为快速平衡，下列说法正确的是( )
A．反应Ⅱ、Ⅲ为决速步
B．反应结束后，溶液中存在18OH－
C．反应结束后，溶液中存在CH318OH
D．反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变
2．(2021·湖南，14改编)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HCOOHCO2↑＋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元素的化合价未发生变化
D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定
二、变量控制
1．(2022·广州高二期中)某兴趣小组将下表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，以研究硫酸铜的浓度对稀硫酸与锌反应生成氢气速率的影响。下列判断不正确的是( )
A B C D E F
4 mol·L－1 H2SO4/mL 30 V1 V2 V3 V4 V5
饱和CuSO4溶液/mL 0 0.5 2.5 5 V6 20
H2O/mL V7 V8 V9 V10 10 0
A.V1＝30，V6＝10，V7＝20
B．本实验利用了控制变量思想，变量为Cu2＋浓度
C．反应一段时间后，实验A中的金属呈灰黑色，实验F的金属呈红色
D．该小组的实验结论是硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用
2．(2022·四川遂宁高二期末)某实验小组利用0.1 mol·L－1Na2S2O3溶液与0.2 mol·L－1H2SO4溶液反应研究外界条件对化学反应速率的影响，设计实验如下：(已知Na2S2O3＋H2SO4===
Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O)
实验编号 温度/℃ V(Na2S2O3)/mL V(H2SO4)/mL V(H2O)/mL 出现浑浊时间/s
① 20 5.0 10.0 0 t1
② 20 5.0 5.0 5.0 t2
③ 50 5.0 10.0 0 t3
下列说法正确的是( )
A．t1＞t2＞t3
B．实验①②③均应将Na2S2O3溶液逐滴滴入H2SO4溶液中
C．实验②中加入5.0 mL H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致
D．实验②③可探究温度对化学反应速率的影响
3．目前，汽车厂商常利用催化技术将汽车尾气中的CO和NO转化成CO2和N2，反应的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。为研究如何提高该转化过程的反应速率，降低NO、CO的污染，某课题组进行了以下实验探究。
[资料查阅] ①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。
[实验设计] 该课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验。
(1)完成下列实验设计：
实验编号 实验目的 T/℃ NO初始浓度/ (mol·L－1) CO初始浓度/ (mol·L－1) 同种催化剂的比表面积/ (m2·g－1)
Ⅰ 为以下实验作参照 280 6.50×10－3 4.00×10－3 80
Ⅱ ①____ ②____ ③______ ④______ 120
Ⅲ 探究温度对尾气转化速率的影响 360 ⑤________ ⑥________ 80
[图像分析与结论] 利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线，如图所示。
(2)由曲线Ⅲ可知，0～ min内，用NO表示的反应速率为_____________________。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，汽车尾气转化速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
三、图像分析
1．反应速率图像分析
化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。
(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)
v－c(H＋)图像 v－T(温度)图像 v－t (时间)图像
说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋)逐渐减小，化学反应速率减小
(2)密闭容器中的反应速率图像分析(如：N2＋3H22NH3)
v－p(压强)图像 v－V(容积)图像 v－t(时间)图像 v－p、T(T1
2．反应速率相关量的图像分析
化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、质量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：
(1)物质的量与时间关系图像
特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算化学反应速率或确定化学方程式。
(2)浓度与时间关系图像
特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。
1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是( )
A．反应时间 B．温度
C．压强 D．N2的浓度
2．下列表格中的各种情况，可以用对应图像表示的是( )
选项 反应 甲 乙
A 外形、大小相同的金属与水反应 Na K
B 不同浓度的H2C2O4溶液各2 mL分别与4 mL 0.01 mol·L－1的KMnO4溶液反应 0.1 mol·L－1的H2C2O4溶液 0.2 mol·L－1的H2C2O4溶液
C 5 mL 0.1 mol·L－1 Na2S2O3溶液与5 mL 0.1 mol·L－1 H2SO4溶液反应 热水 冷水
D 5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2 无MnO2粉末 加MnO2粉末
3.为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是( )
A．25 ℃时，在10～30 min内，R的平均分解速率为0.030 mol·L－1·min－1
B．对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的分解百分率相等
C．对比30 ℃和25 ℃曲线，在0～50 min内，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大
D．对比30 ℃和10 ℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大
4．研究反应2X(g)Y(g)＋Z(g)的速率影响因素，在不同条件下进行4组实验，Y、Z起始浓度为0，反应物X的浓度(mol·L－1)随反应时间(min)的变化情况如图所示。下列说法不正确的是( )
A．比较实验②④得出：升高温度，化学反应速率加快
B．比较实验①②得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快
C．若实验②③只有一个条件不同，则实验③使用了催化剂
D．在0～10 min内，实验②的平均反应速率v(Y)＝0.04 mol·L－1·min－1
第4课时 反应机理、变量控制与图像分析
[核心素养发展目标] 1.利用变量控制思维设计实验，基于图像分析反应速率及其影响因素。2.从微观角度认识反应历程中能量变化与反应速率的关系。
一、反应机理
1．(2021·山东，14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为：＋OH－＋CH3O－能量变化如图所示。已知为快速平衡，下列说法正确的是( )
A．反应Ⅱ、Ⅲ为决速步
B．反应结束后，溶液中存在18OH－
C．反应结束后，溶液中存在CH318OH
D．反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变
答案 B
解析 一般来说，反应的活化能越高，反应速率越慢，由图可知，反应Ⅰ和反应Ⅳ的活化能较高，因此反应的决速步为反应Ⅰ、Ⅳ，故A错误；反应Ⅰ为加成反应，而为快速平衡，反应Ⅱ的成键和断键方式为或，后者能生成18OH－，因此反应结束后，溶液中存在18OH－，故B正确；反应Ⅲ的成键和断键方式为或，因此反应结束后溶液中不会存在CH318OH，故C错误；该总反应对应反应物的总能量高于生成物的总能量，总反应为放热反应，因此和CH3O－的总能量与和OH－的总能量之差等于图示总反应的焓变，故D错误。
2．(2021·湖南，14改编)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HCOOHCO2↑＋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元素的化合价未发生变化
D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定
答案 D
解析 由反应机理可知，HCOOH电离出氢离子后，HCOO－与催化剂结合，放出二氧化碳，然后又结合氢离子转化为氢气，所以总反应化学方程式为HCOOHCO2↑＋H2↑，故A正确；若氢离子浓度过低，则反应Ⅲ→Ⅳ的反应物浓度降低，反应速率减慢，若氢离子浓度过高，则会抑制甲酸的电离，使甲酸根离子浓度降低，反应Ⅰ→Ⅱ速率减慢，所以氢离子浓度过高或过低，均导致反应速率减慢，故B正确；由反应进程可知，反应Ⅳ→Ⅰ能垒最大，反应速率最慢，对该过程的总反应起决定作用，故D错误。
二、变量控制
1．(2022·广州高二期中)某兴趣小组将下表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，以研究硫酸铜的浓度对稀硫酸与锌反应生成氢气速率的影响。下列判断不正确的是( )
A B C D E F
4 mol·L－1 H2SO4/mL 30 V1 V2 V3 V4 V5
饱和CuSO4溶液/mL 0 0.5 2.5 5 V6 20
H2O/mL V7 V8 V9 V10 10 0
A.V1＝30，V6＝10，V7＝20
B．本实验利用了控制变量思想，变量为Cu2＋浓度
C．反应一段时间后，实验A中的金属呈灰黑色，实验F的金属呈红色
D．该小组的实验结论是硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用
答案 D
解析 本实验研究硫酸铜的浓度对反应速率的影响，则每组硫酸的量要保持相同，6组实验溶液的总体积也应该相同，根据实验A和实验F的数据，可知V1＝30，V6＝10，V7＝20，A项正确；本实验利用控制变量思想，通过改变铜离子浓度来研究硫酸铜的浓度对反应速率的影响，B项正确；反应一段时间后，实验A中的金属为Zn，呈灰白色，实验F中的金属为Cu，呈红色，C项正确；硫酸铜的浓度较小时，锌与置换出的铜形成原电池，化学反应速率加快，硫酸铜的浓度较大时，锌与硫酸铜反应生成的铜会附着在锌上，阻碍锌与硫酸反应，氢气生成速率下降，故硫酸铜的浓度与生成氢气的速率不成正比，不能证明硫酸铜对稀硫酸与锌反应生成氢气有催化作用，D项错误。
2．(2022·四川遂宁高二期末)某实验小组利用0.1 mol·L－1Na2S2O3溶液与0.2 mol·L－1H2SO4溶液反应研究外界条件对化学反应速率的影响，设计实验如下：(已知Na2S2O3＋H2SO4===
Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O)
实验编号 温度/℃ V(Na2S2O3)/mL V(H2SO4)/mL V(H2O)/mL 出现浑浊时间/s
① 20 5.0 10.0 0 t1
② 20 5.0 5.0 5.0 t2
③ 50 5.0 10.0 0 t3
下列说法正确的是( )
A．t1＞t2＞t3
B．实验①②③均应将Na2S2O3溶液逐滴滴入H2SO4溶液中
C．实验②中加入5.0 mL H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致
D．实验②③可探究温度对化学反应速率的影响
答案 C
解析 温度越高、浓度越大，反应速率越快，则t2＞t1＞t3，故A错误；应保证Na2S2O3溶液完全反应，则实验①②③均应将H2SO4溶液迅速加入Na2S2O3溶液中，B错误；由控制变量法可知，溶液总体积相同，则实验②中加入5.0 mol H2O的作用是控制变量，保持c(Na2S2O3)与实验①一致，C正确；实验②③中温度及硫酸浓度均不同，不能探究温度对化学反应速率的影响，D错误。
3．目前，汽车厂商常利用催化技术将汽车尾气中的CO和NO转化成CO2和N2，反应的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。为研究如何提高该转化过程的反应速率，降低NO、CO的污染，某课题组进行了以下实验探究。
[资料查阅] ①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。
[实验设计] 该课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验。
(1)完成下列实验设计：
实验编号 实验目的 T/℃ NO初始浓度/ (mol·L－1) CO初始浓度/ (mol·L－1) 同种催化剂的比表面积/ (m2·g－1)
Ⅰ 为以下实验作参照 280 6.50×10－3 4.00×10－3 80
Ⅱ ①____ ②____ ③______ ④______ 120
Ⅲ 探究温度对尾气转化速率的影响 360 ⑤________ ⑥________ 80
[图像分析与结论] 利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线，如图所示。
(2)由曲线Ⅲ可知，0～ min内，用NO表示的反应速率为_____________________。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，汽车尾气转化速率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)①探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响 ②280 ③6.50×10－3 ④4.00×10－3 ⑤6.50×10－3 ⑥4.00×10－3
(2)3.00×10－3 mol·L－1·min－1
(3)增大
解析 (1)影响化学反应速率的因素有浓度、压强、温度和催化剂的比表面积，而要想探究一种影响因素，必须保持其他影响因素一致；根据实验Ⅲ的实验目的是探究温度对尾气转化速率的影响，故实验Ⅲ和Ⅰ的区别是温度不同，其他因素必须保持一致，故实验Ⅲ中NO初始浓度为6.50×10－3 mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3 mol·L－1；而通过对比实验Ⅱ和Ⅰ的条件可知，两者的区别是催化剂的比表面积不同，故其他影响因素均应相同，故实验Ⅱ中温度为280 ℃，NO初始浓度为6.50×10－3 mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3 mol·L－1，而且实验Ⅱ探究的是催化剂比表面积对尾气转化速率的影响。
(2)通过曲线 Ⅲ 可知， min时CO的浓度为2.00×10－3 mol·L－1，可得出CO的浓度的变化量Δc(CO)＝2.00×10－3 mol·L－1－4.00×10－3 mol·L－1＝－2.00×10－3 mol·L－1，在一个反应中，各物质的浓度的变化量之比等于其化学计量数之比，故NO的浓度的变化量Δc(NO)＝－2.00
×10－3 mol·L－1，故用NO表示的反应速率为＝－＝＝3.00×10－3 mol·
L－1·min－1。
(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，缩短了达到平衡的时间，故增大了反应速率。
三、图像分析
1．反应速率图像分析
化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。
(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)
v－c(H＋)图像 v－T(温度)图像 v－t(时间)图像
说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋)逐渐减小，化学反应速率减小
(2)密闭容器中的反应速率图像分析(如：N2＋3H22NH3)
v－p(压强)图像 v－V(容积)图像 v－t(时间)图像 v－p、T(T1
2．反应速率相关量的图像分析
化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、质量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：
(1)物质的量与时间关系图像
特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算化学反应速率或确定化学方程式。
(2)浓度与时间关系图像
特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。
1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是( )
A．反应时间
B．温度
C．压强
D．N2的浓度
答案 A
解析 由题图可知，v(N2)随横轴值的增大而增大。对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)来说，其他条件不变时，升高温度、增大压强、增大N2的浓度，都能使v(N2)增大。在N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的反应过程中，随着时间的增加，N2的浓度逐渐减小，v(N2)逐渐减小。
2．下列表格中的各种情况，可以用对应图像表示的是( )
选项 反应 甲 乙
A 外形、大小相同的金属与水反应 Na K
B 不同浓度的H2C2O4溶液各2 mL分别与 4 mL 0.01 mol·L－1的KMnO4溶液反应 0.1 mol·L－1的H2C2O4溶液 0.2 mol·L－1的H2C2O4溶液
C 5 mL 0.1 mol·L－1 Na2S2O3溶液与5 mL 0.1 mol·L－1 H2SO4溶液反应 热水 冷水
D 5 mL 4%的过氧化氢溶液分解放出O2 无MnO2粉末 加MnO2粉末
答案 C
解析 Na、K分别与水反应，K更活泼，反应更快，A项不正确；其他条件相同，H2C2O4溶液浓度越大反应速率越快，B项不正确；浓度相同，温度越高反应速率越快，随着反应的进行，反应物的浓度减小，反应速率减小，C项正确；使用催化剂的反应速率更快，D项不正确。
3．为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是( )
A．25 ℃时，在10～30 min内，R的平均分解速率为0.030 mol·L－1·min－1
B．对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的分解百分率相等
C．对比30 ℃和25 ℃曲线，在0～50 min内，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大
D．对比30 ℃和10 ℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大
答案 D
解析 由图像可知，25 ℃时，在10～30 min内，R的浓度变化为0.8 mol·L－1－1.4 mol·L－1＝－0.6 mol·L－1，R的平均分解速率v＝－＝＝0.030 mol·L－1·min－1，A项正确；由图像可知，对比30 ℃和10 ℃曲线，在50 min时，R的浓度均为0，说明R完全分解，所以R的分解百分率相等，均为100%，B项正确；由图像可知，25 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为－＝＝0.026 mol·L－1·min－1,30 ℃曲线在0～50 min内，R的平均分解速率为＝0.032 mol·L－1·min－1，虽然30 ℃曲线反应物的起始浓度较小，但在0～50 min内，R的平均分解速率仍比25 ℃曲线大(或30 ℃曲线斜率比25 ℃曲线大)，说明R的平均分解速率随温度升高而增大，C项正确；对比30 ℃和10 ℃曲线，能说明R的平均分解速率随温度升高而增大，但30 ℃曲线反应物的起始浓度大，R的分解速率也相应大，因此在同一时刻不能说明R的分解速率随温度升高而增大，D项错误。
4．研究反应2X(g)Y(g)＋Z(g)的速率影响因素，在不同条件下进行4组实验，Y、Z起始浓度为0，反应物X的浓度(mol·L－1)随反应时间(min)的变化情况如图所示。下列说法不正确的是( )
A．比较实验②④得出：升高温度，化学反应速率加快
B．比较实验①②得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快
C．若实验②③只有一个条件不同，则实验③使用了催化剂
D．在0～10 min内，实验②的平均反应速率v(Y)＝0.04 mol·L－1·min－1
答案 D
解析 实验②④起始浓度相同，但温度不同，实验④反应速率较大，则可得出：升高温度，化学反应速率加快，故A正确；实验①②温度相同，但浓度不同，实验①浓度较大，则可得出：增大反应物浓度，化学反应速率加快，故B正确；实验②③温度、浓度相同，实验③反应速率较大，应为加入了催化剂，故C正确；在0～10 min之间，实验②中X的浓度变化为0.2 mol·L－1，则v(Y)＝v(X)＝×＝0.01 mol·L－1·min－1，故D错误。