第一节 化学反应速率 第3课时教案

第一节 化学反应速率
第3课时 活化能
教学目标
1.知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。
2.能用有效碰撞理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响。
教学重难点
能用有效碰撞理论模型说明外界条件改变对化学反应速率的影响。
教学过程
【新课导入】
我们知道物质是由微观粒子构成的，微粒在做无规则运动，运动中就会发生碰撞，碰撞就有可能发生化学反应，那么改变外界条件，为什么能改变反应速率呢？今天，我们从微观角度分析一下，外界条件是如何改变反应速率的。
【如有需要可插入动画】
【新知讲解】
【阅读理解】阅读教材p25、26、27活化能的内容。
【交流讨论】
1.化学反应的实质是什么？
2.是否所有的碰撞都能使旧键断裂新键形成？
3.如何理解反应机理、有效碰撞、活化分子、活化能？
【讲解】化学反应的实质就是旧化学键的断裂和新化学键形成的过程，而旧键的断裂和新键的形成必须通过反应物分子（离子）的相互接触，相互碰撞来实现的。研究发现大多数反应并不是通过简单碰撞就能完成的，往往通过多个反应步骤才能实现，每一个反应步骤称为基元反应，基元反应反映了反应历程，反应历程又称反应机理。例如碘化氢分解的反应机理为:
2HI → H2 + 2I
2I → I2
一、化学反应的碰撞理论
1.反应机理
基元反应反映了反应历程，反应历程又称反应机理。
【过渡】通过阅读课本，我们知道要发生基元反应必须发生分子的碰撞，而气体分子间的碰撞是相当巨大的，可以达到每立方厘米，每秒内碰撞1028次，如果每次碰撞都能发生化学反应的话，反应只需105秒就能完成，也就是说，任何气体反应都能在瞬间完成，而事实并非如此，说明每一次碰撞不一定发生化学反应，为什么会着这样呢？我们以投篮为例说明。你的每一次投篮都能投入篮筐吗？观察图片思考，想要投入篮筐，需要哪些条件呢？
【讲解】想要投入篮筐，需要足够的能量和合适的取向，化学反应也是如此。如果想要发生化学反应，气体分子必须具有足够的能量，碰撞时有合适的取向。
【如有需要可播放动画】
【讲解】能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞。在化学反应中，反应物分子必须具有一定的能量，碰撞时有合适的取向，才能使化学键发生断裂，从而发生化学反应。发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子叫活化分子。活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差称为活化能。
如图所示E1表示反应的活化能，E2表示活化分子变成生成物分子放出的能量，E1-E2表示反应热。
2.有效碰撞：能够发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。
3.活化分子：具有足够能量能发生有效碰撞的分子。
4.活化能：具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差称为活化能。
【讲解】从图示可以看出，活化能的大小意味着一般分子成为活化分子的难易，但对反应热并不产生任何影响。不同化学反应所需的活化能差别很大，温度对某反应的速率影响程度，大致反映了该反应的活化能的大小。所以活化能低的反应，几乎瞬间完成，如中和反应。而岩石的风化、溶洞的形成、矿物的形成，变化极慢，这是一些在自然条件下活化能较高的反应。
【总结】化学反应发生的条件：
普通分子吸收活化能变成活化分子，在合适取向下发生有效碰撞，形成新物质，并伴有能量变化。
【过渡】化学反应速率与分子间的有效碰撞几率有关，有效碰撞几率越大，反应速率越快。下面我们来研究一下，浓度、压强、温度、催化剂的变化是如何影响反应速率的。
【交流讨论】，用有效碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂的变化是如何影响反应速率的？
二、用碰撞理论解释外界条件对反应速率的影响
1.浓度对反应速率的影响
在其他条件不变时，增大反应物浓度，反应速率加快；减小反应物的浓度，反应速率减慢。
原因：当反应物浓度增大→单位体积内分子数增多→单位体积活化分子数增多(活化分子浓度增大)→单位时间内有效碰撞次数增多→化学反应速率加快。
【说明】对于纯固体或纯液体，其浓度可视为常数，因而其物质的量改变时不影响化学反应速率。固体物质的反应速率与接触面积有关，固体颗粒越细，表面积越大，反应速率越快，故块状固体可以通过研细增大表面积，来加快反应速率。
2．压强对化学反应速率影响
改变压强，对化学反应速率的影响的根本原因是引起浓度改变。
原因：增大压强→反应物浓度增大→单位体积内分子数增多→单位体积活化分子数增多(活化分子浓度增大)→单位时间内有效碰撞次数增多→化学反应速率加快。
在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。
(1)对于没有气体参与的化学反应，由于改变压强时，反应物浓度变化很小，可忽略不计，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，压缩体积→压强增大→反应物浓度增大→反应速率加快。
②恒温时，恒容密闭容器：
充入“惰性气体”→总压强增大→反应物浓度未改变→反应速率不变。
③恒温、恒压时：
充入“惰性气体” → 体积增大→气体反应物浓度减小→ 反应速率减小。
3.温度对化学反应速率的影响
温度升高时，化学反应速率加快；温度降低时，化学反应速率减小。
原因：其他条件相同时，升高温度，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的分子变成活化分子，从而增加了反应物分子中活化分子的百分数，使单位时间内有效碰撞次数增加，因而使反应速率增大。
4.催化剂对化学反应速率的影响
加入催化剂可以改变反应的速率
原因：催化剂能改变反应的历程，改变反应的活化能，如图所示
有催化剂时每一次反应的活化能比无催化剂时反应的活化能降低了很多，从而使更多的反应物分子成为活化分子，增大了单位体积内反应物分子中活化分子的数目，从而增大了化学反应速率。
【总结】影响化学反应速率的外界条件
影响因素 单位体积内 有效碰撞次数 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 增大
增大压强 增加 增加 不变 增加 增大
升高温度 不变 增加 增加 增加 增大
加催化剂 不变 增加 增加 增加 增大
【课堂练习】
1.反应C(s，石墨)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是(　C　)
A．用纳米石墨代替普通石墨
B．将容器的容积缩小一半
C．保持容积不变，充入Ne使体系压强增大
D．保持压强不变，充入Ne使容器容积增大
解析：A．用纳米石墨代替普通石墨，大大增加了石墨与H2O的接触面，反应速率增大。B．将容器的容积缩小一半，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都增大，反应速率增大。C．充入Ne而保持容器容积不变，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都不变，反应速率不变。D．充入Ne而保持压强不变，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都减小，反应速率减小。
2.　下列叙述正确的是(　C　)
A．FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解，同等条件下二者对H2O2分解速率的改变相同
B．其他条件不变，向稀H2SO4与过量Zn的混合物中加少量铜片，既能增大H2的生成速率，又能减小生成H2的物质的量
C．其他条件不变，加热或加压都能使H2(g)＋I2(g) 2HI(g)的v(正)和v(逆)同时增大
D．在实验室中，将一块除去氧化膜的铝片放入一定浓度和体积的稀盐酸中，反应过程中v(H2)一直逐渐减小
解析：FeCl3和MnO2对H2O2分解的催化性能不同，同等条件下它们对H2O2分解速率的改变不同，A项不正确。
2H＋＋Zn=H2↑＋Zn2＋，其他因素都不变，加入铜片后发生原电池反应，生成H2的速率增大，但物质的量不变，B项不正确。
H2(g)＋I2(g)? ?2HI(g)既是可逆反应，又是反应物和生成物中都有气体的反应，其他条件不变，加热或加压都能使它的v(正)和v(逆)同时增大，C项正确。
在Al与H＋(aq)的反应过程中，c(H＋)逐渐减小，v(H2)逐渐减小；放出热量使溶液温度升高，v(H2)逐渐增大，结果大约是v(H2)先增大后减少，D项不正确。
3.某实验探究小组研究340 K时N2O5的分解反应：2N2O5 4NO2＋O2。该小组同学根据表中的实验数据绘制下图。下列有关说法中正确的是(　C　)
t/min 0 1 2 3 4
c(N2O5)/mol·L－1 0.160 0.114 0.080 0.056 0.040
c(O2)/mol·L－1 0 0.023 0.040 0.052 0.060
A．曲线Ⅰ是N2O5的变化曲线
B．曲线Ⅱ是O2的变化曲线
C．N2O5的浓度逐渐减小，反应速率越小
D．O2的浓度逐渐增大，反应速率越大
解析：结合表中数据可知，曲线I、Ⅱ分别是O2、N2O5的变化曲线，A、B项错误；利用表中数据可以计算，无论用N2O5还是用O2表示的反应速率逐渐减小，而随着反应的进行，N2O5的浓度逐渐减小，O2的浓度逐渐增大，故C项正确，D项错误。
4.某温度时，在2 L密闭容器中X、Y、Z三种气体物质的物质的量(n)随时间(t)变化的曲线如图所示。
(1)该反应的化学方程式为__X＋3Y 2Z___。
(2)反应开始至2 mim，用Z表示的平均反应速率为__0.05__mol·L－1·min－1___。
解析：(1)由图可知，X、Y的物质的量减小，Z的物质的量增加，故X、Y为反应物，Z为生成物；X、Y、Z的化学计量数之比＝物质的量的变化量之比＝0.1 mol︰0.3 mol︰0.2 mol＝1︰3︰2；反应进行到2 min时，各物质的物质的量不再改变，故该反应为可逆反应，该反应的化学方程式为X＋3Y 2Z。(2)v(Z)＝＝0.05 mol·L－1·min－1。
【课堂小结】
【课堂检测】
1．有气体参加的反应中，能使反应物中活化分子数和活化分子百分数都增大的方法是(　D　)
①增大反应浓度　②增大压强　③升高温度　④加入催化剂
A．①②③　　 B．②③④　　
C．①③④　　 D．③④
解析：①增大反应物的浓度和②增大压强，只能增大单位体积内活化分子数，不能增大活化分子百分数；而③升高温度和④加入催化剂即能增大活化分子数，又能增大活化分子百分数，故D项符合题意。
2．在恒容条件下，能使NO2(g)＋CO(g) CO2(g)＋NO(g)正反应速率增大且活化分子的百分数也增加的措施是(　D　)
A．增大NO2或CO的浓度
B．减小CO2或NO的浓度
C．通入Ne使气体的压强增大
D．升高反应的温度
解析：增大NO2或CO的浓度，反应速率加快，活化分子数目增大，但活化分子的百分数不变，A错误；减小CO2或NO的浓度，反应速率减慢，活化分子数目减小，B错误；通入Ne使气体的压强增大，容积不变，反应体系中各物质的浓度不变，反应速率不变，C错误；升高反应温度，反应速率加快，活化分子的百分数增大，D正确。
3．(双选)反应3Fe(s)＋4H2O(g) = Fe3O4(s)＋4H2(g)在一可变容积的密闭容器中进行，下列条件的改变对其反应速率几乎无影响的是(　AC　)
A．增加Fe的量
B．将容器的体积缩小一半
C．保持体积不变，充入N2使体系压强增大
D．保持压强不变，充入N2使容器体积增大
解析：Fe为固态反应物，增加其用量并不影响其浓度，因此增加Fe的量对反应速率几乎无影响；容器体积缩小一半，即压强增大，H2O(g)和H2的物质的量浓度增大，正反应速率和逆反应速率都增大；体积不变充入N2，容器内总压强增大，但N2不参与反应，容器内H2和H2O(g)的物质的量浓度并没有增加或减小，因此正反应速率和逆反应速率都基本不变；恒压下充入N2，使容积增大，总压强虽然不变，但容器内H2和H2O(g)的物质的量浓度都减小，正反应速率和逆反应速率都减小。
4.（双选）常温常压时烯烃与氢气混合不反应，高温时反应很慢，但在适当的催化剂存在时可与氢气反应生成烷烃，一般认为加氢反应是在催化剂表面进行。反应过程的示意图如下：
下列说法中正确的是(　CD　)
A．乙烯和H2生成乙烷的反应是吸热反应
B．加入催化剂，可减小反应的热效应
C．催化剂能改变反应历程，降低基元反应的活化能，从而加快反应速率
D．催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合，得到中间体
解析：A、根据图示，得到反应物的能量高于产物的能量，所以该反应是放热反应，故A错误；B、催化剂只会加快反应速率，不会引起反应热的变化，反应的热效应不变，故B错误；D、根据化学反应的历程：催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合，得到中间体，故D正确；故选D。
5．在一密闭容器中，充入1 mol N2和3 mol H2，并在一定温度和压强条件下，使其发生反应：N2(g)＋3H2(g)? ?2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol。
(1)若保持容器容积不变，再向其中充入1 mol N2，反应速率会__加快___(填“加快”“减慢”或“不变”，下同)，理由是__增大了反应物的浓度，活化分子数目增多，反应速率加快___。
(2)若保持容器容积不变，再向其中充入1 mol氩气，反应速率会__不变___，理由是__反应物的浓度没有改变，反应速率不变___。
(3)若保持容器内气体压强不变，再向其中充入1 mol N2和3 mol H2，反应速率会__不变___，理由是__在一定温度和压强条件下，气体体积和气体的物质的量成正比，容器的容积增大，反应物的浓度没有改变，反应速率就不会改变___。
(4)使用催化剂，反应速率会__加快___，理由是__催化剂可以降低反应的活化能，提高活化分子的百分数，反应速率加快___。
解析：(1)若保持容器容积不变，再向其中充入1 mol N2，增大了反应物的浓度，活化分子数目增多，反应速率加快。
(2)若保持容器容积不变，再向其中充入1 mol 氩气，反应物的浓度不变，反应速率不变。
(3)在一定温度和压强条件下，气体体积和气体的物质的量成正比，若保持容器内气体压强不变；再向其中充入1 mol N2和3 mol H2，容器的容积增大，反应物的浓度没有改变，反应速率不变。
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