2.3 第1课时 化学反应速率 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

2.3 第1课时　化学反应速率
【学习目标】
1.了解化学反应速率的概念,知道化学反应平均速率的表示方法。
2.能够运用反应速率的定义式进行简单计算,能利用化学反应速率的图像解决简单问题。
3.通过对化学反应历程的认知,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。
【自主预习】
一、化学反应是有历程的
1.基元反应:大多数化学反应都是分几步完成的,其中的　　　　反应称为基元反应。例如,H·+O2·OH+O·即为氢气与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。
(2)特点
①反应不同,反应　　　　不相同。
②同一反应,在不同　　　　下的反应历程也可能不同。
(3)决定因素:反应历程由　　　　决定。
(4)作用:反应历程的差别造成了　　　　的不同。
3.从反应机理角度对化学反应的分类
【微点拨】
(1)对于由多个基元反应组成的化学反应,其反应的快慢由最慢的一步基元反应决定。
(2)微粒H·、·OH和O·存在未成对电子,它们称为自由基(H·和O·也称为自由原子)。自由基反应活性很强,寿命极短。
二、化学反应速率
1.化学反应速率
(1)表示方法
对于反应体系体积不变的化学反应aA+bBdD+eE,可以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。
(2)数学表达式及单位
v(A)=,单位为　　　　或　　　　。
(3)特点
①同一反应选用不同的反应物或反应产物表示化学反应速率,数值可能不同,但表示的意义相同。
②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化学计量数之比。
【微点拨】
(1)不用固体或纯液体表示反应速率。
(2)反应速率表示一段时间内反应的平均速率,不是瞬时速率。
2.化学反应速率的物理测定方法
主要有　　　　法、比色法、　　　　法。
【微点拨】
一、1.每一步　2.(2)①历程　②条件　(3)反应物的结构和反应条件　(4)化学反应速率
二、1.(2)mol·L-1·s-1　mol·L-1·min-1
2.量气　电导
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)化学反应速率适用于可逆反应,不适用于非可逆反应。 (　　)
(2)在可逆反应中,正反应的化学反应速率是正值,逆反应的化学反应速率是负值。 (　　)
(3)在同一化学反应中,化学反应速率可以用反应物浓度的改变来表示,也可以用反应产物浓度的改变来表示,其数值可能相同,也可能不相同。 (　　)
(4)化学反应速率的单位可以是g·L-1·s-1,也可以是kg· L-1·s-1,甚至可以是t·L-1·s-1等。 (　　)
(5)所有化学反应的反应历程均包含至少2个基元反应。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
【解析】(1)化学反应速率适用于可逆反应和非可逆反应。(2)化学反应速率均为正值。(4)化学反应速率的单位为mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1。(5)简单反应的总反应就是基元反应。
2.化学反应都是一步完成的吗
【答案】不是。
3.对于由多个基元反应组成的化学反应,其反应的快慢是由哪步反应决定的
【答案】由最慢的一步基元反应决定。
4.反应历程与化学反应速率有什么关系
【答案】反应物的结构和反应条件决定着一个反应的历程,而反应历程的差别又造成了化学反应速率的不同。
5.比较化学反应速率大小时,应注意什么
【答案】换算成同一物质表示,统一单位,再比较数值大小。
6.其他条件相同时,用2 mol·L-1 HCl、4 mol·L-1HCl分别与金属锌反应,相同时间内谁产生氢气的速率快
【答案】4 mol·L-1 HCl。
【合作探究】
任务1：化学反应速率及相关计算
情境导入　家用轿车大都配有安全气囊。当汽车发生意外严重碰撞时,气囊中发生化学反应2NaN32Na+3N2↑,在大约30毫秒时间内产生气体将气囊充起以确保乘员安全。而有的反应却很慢,例如埋藏在地底下的石油,需要漫长的时间才能形成。那么我们怎样来描述一个化学反应的快慢呢
问题生成
1.化学反应速率一般是指平均反应速率还是瞬时反应速率
【答案】平均反应速率。
2.若标准状况下,安全气囊在30毫秒时间充起后体积为50 L,我们可以如何表示该反应的反应速率 请计算出该反应的速率。
【答案】可以用单位时间内N2的浓度变化来表示该反应的反应速率;v(N2)= ≈1.49 mol·L-1·s-1。
3.可以用Na、NaN3的浓度变化表示该反应的反应速率吗 由此你得出什么结论
【答案】不能用Na、NaN3的浓度变化表示该反应的反应速率,对于有固体或纯液体参与的反应,因为在一定条件下,固体或纯液体的浓度可视为常数,所以固体或纯液体在化学反应中浓度不变,因此不能用固体或纯液体的浓度变化来表示化学反应速率。
【核心归纳】
1.有关化学反应速率的计算
(1)计算依据
①平均化学反应速率的公式:v=。
②对于同一个化学反应,用不同物质的浓度变化表示的反应速率之比等于相应物质在化学方程式中的化学计量数之比,这是有关化学反应速率的计算或换算的依据。例如,对于化学反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g),有下列恒等式:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=a∶b∶c∶d=Δn(A)∶Δn(B)∶Δn(C)∶Δn(D)=Δc(A)∶Δc(B)∶Δc(C)∶Δc(D)。
(2)运用“三段式”求解化学反应速率计算题的一般步骤
①写出有关反应的化学方程式。
②找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。
③根据已知条件列方程计算。
例如:　　　　　　　　　mA(g) + nB(g)pC(g)
初始浓度/(mol·L-1) 　 a 　b 　 c
转化浓度/(mol·L-1) 　 x 　
某时刻浓度/(mol·L-1) a-x b- c+
计算中注意以下关系:
a.对于反应物:c(初始)-c(转化)=c(某时刻)
b.于反应产物:c(初始)+c(转化)=c(某时刻)
c.物质的转化量之比等于其化学计量数之比
d.化率=×100%
2.化学反应速率大小的比较方法
对于同一化学反应,用不同物质表示的反应速率数值可能不同,但比较反应速率的大小不能只看数值的大小,还要进行一定的转化。具体比较方法如下:
(1)“一看”:看化学反应速率的单位是否统一。
(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。
(3)“三比较”:比较同一物质的化学反应速率或不同物质的化学反应速率除以相应化学计量数之后的数值。数值越大,反应速率越快。
如反应:aA(g)+bB(g)cC(g),比较与,若>,则用A表示的反应速率比用B表示的大。
【典型例题】
【例1】在四个不同的容器中进行合成氨的反应。根据下列在相同时间内测定的结果,判断生成氨的速率最快的是(　　)。
A.v(H2)=0.3 mol·L-1·min-1
B.v(N2)=0.005 mol·L-1·s-1
C.v(N2)=0.2 mol·L-1·min-1
D.v(NH3)=0.3 mol·L-1·min-1
【答案】B
【解析】将各选项中反应速率转化为N2的反应速率,A项中v(N2)= v(H2)=0.1 mol·L-1·min-1,B项中v(N2)=0.005×60 mol·L-1·min-1=0.3 mol·L-1·min-1,C项中 v(N2)=0.2 mol·L-1·min-1,D项中 v(N2)=v(NH3)=0.15 mol·L-1·min-1。
【例2】一定温度下,在 2 L的密闭容器中,X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。下列描述正确的是(　　 )。
A.反应在0~10 s内,用Z表示的反应速率为0.158 mol·L-1·s-1
B.反应在0~10 s 内,X的物质的量浓度减少量为0.79 mol·L-1
C.反应进行到10 s时,Y的转化率为79.0%
D.反应的化学方程式为X(g) + Y(g)Z(g)
【答案】C
【解析】在0~10 s内,Z的反应速率为v(Z)==0.079 mol·L-1·s-1,A项错误;0~10 s内,X的物质的量浓度的减少量为=0.395 mol·L-1,B项错误;反应进行到10 s时,Y的转化率为×100%=79.0%,C项正确;反应的化学方程式应为X(g) + Y(g)2Z(g),D项错误。
灵犀一点：化学反应速率的特点
1.在某一个化学反应中,无论是用反应物还是用反应产物表示化学反应速率,其值均为正值。
2.化学反应速率表示的均是某一段时间内化学反应的平均速率,而不是某一时刻化学反应的瞬时速率。
3.一个确定的化学反应涉及反应物、反应产物多种物质,因而定量表示一个化学反应的反应速率时,必须指明是用哪一种物质来表示的。
4.在同一反应中,用不同的物质表示的化学反应速率,其数值可能不同,但表示的实际意义相同。
5.在同一化学反应中,用各物质表示的化学反应速率之比等于化学方程式中各物质化学计量数之比。例如,在反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)中,v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=a∶b∶c∶d。
任务2：化学反应速率的测定
【实验探究】
设计实验测定锌与硫酸反应的速率
(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质量的锌粒,然后再快速加入40 mL 4 mol·L-1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的硫酸与锌反应比1 mol·L-1的硫酸与锌反应快。
问题生成
1.通过以上实验现象,你会得到什么结论
【答案】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,反应速率越大。
2.是否反应速率越大,反应现象越明显
【答案】不是,反应现象是否明显与反应速率没有因果关系。
3.上述实验是如何比较反应速率的
【答案】该实验是使用产生相同体积的氢气所用时间长短比较的。
4.已知反应Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑,你有几种方法测定该反应的反应速率 试判断所设计实验的可行性。
【答案】(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。
【核心归纳】
1.化学反应速率的测定原理
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.化学反应速率的测定方法
(1)量气法:对于有气体生成的反应,可测量气体产物在温度、压强一定时的体积变化。
(2)比色法:由于物质对特定波长的光的吸收性能不同,因此可以通过吸光度来测定参与反应的某一物质的浓度。
(3)电导法:根据离子导电能力的差异,可以通过测定电导率的变化确定反应物中离子浓度的变化,进而计算化学反应速率。
【典型例题】
【例3】某同学设计如图Ⅰ装置,测定2 mol·L-1的硫酸分别与锌粒、锌粉反应的速率。请回答下列问题:
(1)图Ⅰ装置中盛放硫酸的仪器名称是　　　　。
(2)按照图Ⅰ装置实验时,已限定了两次实验时间均为10 min,还需要测定的另一个数据是 　。
(3)实验结束后,得到的结论是 　。
(4)该同学又将图Ⅰ装置中的气体收集装置改为图Ⅱ,实验完毕待冷却后,该同学准备读取滴定管上液面所处的刻度数,发现滴定管中液面高于干燥管中液面,应首先采取的操作是 　 。
【答案】(1)分液漏斗
(2)收集到的气体的体积
(3)其他条件相同时,锌粉与硫酸的反应速率比锌粒与硫酸的反应速率大
(4)调节滴定管的高度使得两侧液面相平
【解析】(1)根据装置的特点可知,图Ⅰ装置中盛放硫酸的仪器名称是分液漏斗。
(2)要测定反应速率,还需要测定的另一个数据是收集到的气体的体积。
(3)因为增大反应物的接触面积可以加快反应速率,所以该实验中得出的结论是其他条件相同时,锌粉与硫酸的反应速率比锌粒与硫酸的反应速率大。
(4)因为气体的体积受压强的影响大,所以在读数之前还需要采取的措施是调节滴定管的高度,使得两侧液面相平。
【随堂检测】
课堂基础
1.下列关于化学反应速率说法中不正确的是(　　)。
A.可逆反应达到化学平衡状态时,正、逆反应速率都为0
B.决定化学反应速率的主要因素是反应物自身的性质
C.反应速率用于衡量化学反应进行的快慢
D.增大反应物的浓度和提高反应温度都能增大反应速率
【答案】A
【解析】化学平衡是动态平衡,可逆反应达到化学平衡状态时,正、逆反应都在进行,正、逆反应速率相等且不为0,A项错误;决定反应速率的主要因素是反应物自身的性质,例如,钾和水反应比钠和水反应快,是因为钾比钠的金属性强,B项正确;反应速率用于衡量化学反应进行的快慢,C项正确;增大反应物的浓度和提高反应温度都能增大反应速率,D项正确。
2.在N2+3H22NH3的反应中,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(　　)。
A.1 s　　　　　　　　　　B.2 s
C.44 s D.1.33 s
【答案】B
【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,Δt==2 s。
3.反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)在10 L 密闭容器中进行,半分钟后,水蒸气的物质的量增加了0.45 mol,则此反应的平均反应速率可表示为(　　)。
A.v(NH3)=0.010 mol·L-1·s-1
B.v(O2)=0.0010 mol·L-1·s-1
C.v(NO)=0.0010 mol·L-1·s-1
D.v(H2O)=0.045 mol·L-1·s-1
【答案】C
【解析】v(H2O)==0.0015 mol·L-1·s-1,v(NH3)=v(NO)==0.0010 mol·L-1·s-1,v(O2)==0.00125 mol·L-1·s-1。
对接高考
4.(2021·6月浙江选考,20)一定温度下,在N2O5 的四氯化碳溶液(100 mL)中发生分解反应:2N2O54NO2+O2。在不同时刻测量放出的O2体积,换算成N2O5浓度如下表:
t/s 0 600 1200 1710 2220 2820 x
c(N2O5)/(mol·L-1) 1.40 0.96 0.66 0.48 0.35 0.24 0.12
下列说法正确的是(　　)。
A.600~1200 s,生成NO2的平均速率为5.0×10-4 mol·L-1·s-1
B.反应2220 s时,放出的O2体积为11.8 L(标准状况)
C.反应达到平衡时,v正(N2O5)=2v逆(NO2)
D.推测上表中的x为3930
【答案】D
【解析】600~1200 s,N2O5浓度的变化量为0.3 mol·L-1,在此时间段内NO2浓度的变化量为其2倍,即0.6 mol·L-1,因此,生成NO2的平均速率为=1.0×10-3 mol·L-1·s-1,A项不正确;由表中数据可知,反应2220 s时,N2O5浓度的变化量为1.05 mol·L-1,其物质的量的变化量为1.05 mol·L-1×0.1 L=0.105 mol,O2物质的量的变化量是其,即0.0525 mol,因此,放出的O2在标准状况下的体积为0.0525 mol ×22.4 L·mol-1=1.176 L ,B项不正确;反应达到平衡时,正反应速率等于逆反应速率,用不同物质表示该反应的速率时,其数值之比等于化学方程式中各物质化学计量数之比,2v正(N2O5)=v逆(NO2),C项不正确;分析表中数据可知,该反应经过1110 s(600~1710,1710~2820)后N2O5的浓度会变为原来的,因此,N2O5的浓度由0.24 mol·L-1变为0.12 mol·L-1时,可以推测题表中的x为2820+1110=3930,D项正确。
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