2.1 第2课时 影响化学反应速率的因素 活化能 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1
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| 名称 | 2.1 第2课时 影响化学反应速率的因素 活化能 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 436.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-11 09:55:12 | ||
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文档简介
2.1 第2课时 影响化学反应速率的因素 活化能
【学习目标】
1.通过实验探究,了解浓度、压强、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响。
2.知道化学反应是有历程的,了解活化能的含义及应用。
3.建立碰撞理论认知模型,并能运用碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对化学反应速率产生的影响。
【自主预习】
一、影响化学反应速率的因素
1.内因
在相同条件下,不同的化学反应的反应速率首先是由 的组成、结构和性质等因素决定的。
2.外界因素
二、有效碰撞理论
1.有效碰撞理论
(1)基元反应:大多数的化学反应往往经过多个反应步骤才能实现。其中每一步反应都称为 。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;又如2HIH2+I2的2个基元反应为2HIH2+2I·、2I·I2。
(2)反应历程
①含义:基元反应构成的反应 。
②特点:a.反应不同,反应 不相同。
b.同一反应,在不同条件下的反应历程也可能不同。
③决定因素:反应历程由反应物的 和反应 决定。
④作用:反应历程的差别造成了化学反应 的不同。
(3)基元反应发生的先决条件
基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生 ,但是并不是每一次分子碰撞都能发生 。
(4)有效碰撞
(5)活化分子和活化能
①活化分子:能够发生 的分子。
对于某一化学反应来说,在一定条件下,反应物分子中活化分子的百分数是一定的。
②活化能:活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量 ,叫作反应的活化能。
(6)反应物、生成物的能量与活化能的关系图
2.有效碰撞理论对影响化学反应速率因素的解释
(1)浓度 (2)压强
反应物浓度增大 → 反应物中活化分子百分数 → 单位体积内分子总数 → 活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。 增大压强(压缩体积) → 反应物中活化分子百分数 → 单位体积内活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。
(3)温度 (4)催化剂
升高温度 → 活化分子百分数 → 单位体积内分子总数 → 活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。 加入催化剂 → 活化分子百分数 → 单位体积内活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。
【参考答案】一、1.反应物 2.增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大 相同
二、1.(1)基元反应 (2)①序列 ②历程
③结构 条件 ④速率 (3)碰撞 化学反应 (4)越大 (5)①有效碰撞 ②之差 (6)活化能 能量 逆反应 反应热
2.(1)不变 增多 增多 增多 增大 减小
(2)不变 增多 增多 增大 减小
(3)增大 不变 增多 增多 增大 减小
(4)增大 增多 增多 增大 减小
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)恒温时,增大压强,化学反应速率一定增大。 ( )
(2)其他条件不变,温度越高,化学反应速率越大。 ( )
(3)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。 ( )
(4)使用催化剂可改变反应速率,从而改变该反应过程中吸收或放出的热量。 ( )
(5)活化分子之间发生的碰撞一定为有效碰撞。 ( )
(6)化学反应速率与反应历程有关,相同的反应,条件不同反应历程不同,化学反应速率也不同。 ( )
(7)升高温度能使化学反应速率增大,主要原因是增大了反应物分子中活化分子的百分数。 ( )
(8)有气体参加的化学反应,若增大压强(即缩小反应容器的体积),可增加活化分子的百分数,从而使反应速率增大。 ( )
【答案】(1) × (2) √ (3) √ (4)× (5)× (6) √ (7) √ (8) ×
2.增大浓度或改变压强能增大活化分子百分数吗
【答案】不能。
3.活化分子的碰撞一定是有效碰撞吗
【答案】活化分子的碰撞不一定都是有效碰撞。活化分子数越多,有效碰撞次数就越多,化学反应速率就越快,单位体积内活化分子数与单位体积内反应物分子总数成正比。
【合作探究】
任务1：影响化学反应速率的因素
情境导入 随着人们生活水平的提高,国家家电下乡政策的落实,冰箱、冰柜已进入千家万户。
在28 ℃时,鲜牛奶4小时后变质,但在冰箱中,鲜牛奶48小时后变质,这说明了什么
【实验探究】
1.实验探究浓度对反应速率的影响
实验原理 Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
实验步骤
实验现象 两支试管中的溶液 ,滴加 mol·L-1 H2SO4溶液的试管
实验结论 其他条件相同时,增大反应物浓度,化学反应速率
2.压强对化学反应速率的影响
(1)研究对象——气体模型的理解
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:
由图可知,其他条件不变时,增大压强,气体体积缩小,浓度 。
(2)影响规律
对于有气体参加的化学反应,在相同温度下,增大压强(减小容器体积),反应速率 ;减小压强(增大容器体积),反应速率 。
3.探究温度对反应速率的影响
实验原理 Na2S2O3+H2SO4 Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
实验步骤
实验现象 两支试管中的溶液 ,烧杯中装 的试管
实验结论 其他条件相同时,升高温度,化学反应速率
4.探究催化剂对反应速率的影响
实验原理 2H2O22H2O+O2↑
实验步骤
实验现象 余烬 余烬
实验结论 催化剂可以 化学反应速率
【答案】1.均变浑浊 0.5 先变浑浊 增大
2.(1)增大 (2)增大 减小
3.均变浑浊 热水 先变浑浊 增大
4.没有复燃 复燃 改变
【核心归纳】
1.压强对化学反应速率影响的几种情况
改变压强,影响化学反应速率的根本原因是引起了浓度的改变。所以在讨论时,应注意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化学反应速率加快。
②恒温时,对于恒容密闭容器:
a.充入气体反应物气体反应物浓度增大(压强也增大)化学反应速率加快。
b.充入“惰性气体”总压强增大反应物浓度未改变化学反应速率不变。
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化学反应速率减小。
2.温度对反应速率的影响
升高温度,v正、v逆都增大;降低温度,v正、v逆都减小。
3.催化剂的作用
(1)催化剂只能改变化学反应速率,不能使原来不能发生的反应得以进行。
(2)催化剂一般有选择性,不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂,可以发生不同的反应,从而得到不同的产物。
【典型例题】
【例1】以反应5H2C2O4+2Mn+6H+10CO2↑+2Mn2++8H2O为例探究外界条件对化学反应速率的影响。实验时,分别量取H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液,迅速混合并开始计时,通过测定溶液褪色所需时间来判断反应的快慢。下列说法不正确的是( )。
编号 H2C2O4溶液 酸性KMnO4溶液 温度/℃
浓度/mol·L-1 体积/mL 浓度/mol·L-1 体积/mL
① 0.10 2.0 0.010 4.0 25
② 0.20 2.0 0.010 4.0 25
③ 0.20 2.0 0.010 4.0 50
A.实验①②③所加的H2C2O4溶液均要过量
B.实验①和实验②是探究浓度对化学反应速率的影响,实验②和③是探究温度对化学反应速率的影响
C.实验①和②起初反应均很慢,过了一会儿速率突然增大,可能是生成的Mn2+对反应起催化作用
D.若实验①测得KMnO4溶液的褪色时间为40s,则这段时间内平均反应速率v(KMnO4)=2.5×10-4 mol·L-1·s-1
【答案】D
【解析】由实验数据分析可知,在这三个实验中,所加H2C2O4溶液均过量,A项正确。分析表中数据可知,实验①和实验②只是浓度不同,即实验①和实验②是探究浓度对化学反应速率的影响;实验②和③只是温度不同,所以实验②和③是探究温度对化学反应速率的影响,B项正确。在其他条件都相同时,开始速率很小,过一会儿速率突然增大,说明反应生成了具有催化作用的物质,可能起催化作用的是Mn2+,C项正确;高锰酸钾完全反应,混合后溶液中高锰酸钾的浓度为=×0.010mol·L-1,v(KMnO4)=≈1.7×10-4 mol·L-1·s-1,D项错误。
方法技巧：“控制变量法”探究影响化学反应速率的因素
1.确定变量:解答这类题目时首先要认真审题,理清影响实验探究结果的因素有哪些。
2.定多变一:在探究时,应该先确定其他的因素不变,只变化一种因素,看这种因素与探究的问题存在怎样的关系;这样确定一种以后,再确定另一种,通过分析每种因素与所探究问题之间的关系,得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
3.数据有效:解答时注意选择数据(或设计实验)要有效,且变量统一,否则无法做出正确判断。
任务2：活化能
情境导入 2 mol H2和1 mol O2混合于一个洁净的容器内,已知常温常压下,每个氢分子和氧分子自身或它们之间每秒钟平均碰撞2.355×1010次,如果每一次碰撞都能引发反应,整个容器中的氢气和氧气将在极短的时间内全部变成水。然而事实并非如此,为什么呢
问题生成
1.化学反应都是一步完成的吗
【答案】不是。
2.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。
3.反应历程与化学反应速率有什么关系
【答案】一个化学反应的快慢取决于反应历程中反应速率最慢的基元反应。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。
4.活化分子数改变,化学反应速率就一定发生了改变吗
【答案】不一定。如恒压条件下:2HI(g)H2(g)+I2(g),若增加HI的量,虽然活化分子数增多,但体积增大,各物质的浓度不变,反应速率不变。
【核心归纳】
1.基元反应经历的过程
2.活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
【典型例题】
【例2】下列有关活化分子的说法正确的是( )。
A.增大反应物浓度可以提高活化分子百分数
B.增大体系的压强一定能提高活化分子百分数
C.使用合适的催化剂可以增大活化分子的能量
D.升高温度能提高活化分子百分数
【答案】D
【解析】升高温度、加入催化剂能提高活化分子百分数,且加入催化剂可降低反应的活化能;增加反应物浓度,增大体系压强只增大单位体积活化分子的数目,百分数不变。
【例3】在体积可变的容器中发生反应N2+3H2 2NH3,当增大压强使容器体积缩小时,化学反应速率增大,其主要原因是( )
A.分子运动速率增大,使反应物分子间的碰撞机会增多
B.反应物分子的能量增加,活化分子百分数增大,有效碰撞次数增多
C.活化分子百分数未变,但单位体积内活化分子数增加,有效碰撞次数增多
D.分子间距离减小,使所有的活化分子间的碰撞都成为有效碰撞
【答案】C
【解析】A项,由于温度不变,因此分子运动速率不变,错误;B项,由于温度不变,因此反应物分子的能量不变,错误;D项,增大压强使容器体积缩小时,单位体积内反应物浓度增大,单位体积内活化分子间的碰撞不一定都是有效碰撞,只有取向合适才能发生反应,才是有效碰撞,错误。
方法技巧：外界条件对化学反应速率的影响
外界条件 反应物浓度 气体反应物的压强 温度 使用催化剂
增大 减小 增大 减小 升高 降低
活化能 不变 不变 不变 不变 不变 不变 降低
单位体积活化分子数 增多 减少 增多 减少 增多 减少 增多
活化分子百分数 不变 不变 不变 不变 增大 减小 增大
有效碰撞次数 增多 减少 增多 减少 增多 减少 增多
反应速率 增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大
【随堂检测】
课堂基础
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( )。
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.升高温度能增大反应速率
D.改变压强对反应速率无影响
【答案】C
【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.对于反应2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g),科学家根据光谱学研究提出如下反应历程:
第一步:2NON2O2 快速平衡
第二步:N2O2+H2N2O+H2O 慢反应
第三步:N2O+H2N2+H2O 快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列叙述正确的是( )。
A.若第一步反应ΔH<0,则升高温度,v正减小,v逆增大
B.第二步反应的活化能大于第三步反应的活化能
C.第三步反应中N2O与H2的每一次碰撞都是有效碰撞
D.反应的中间产物只有N2O2
【答案】B
【解析】不管ΔH<0,还是ΔH>0,升高温度,v正和v逆均增大,A项错误。第二步反应为慢反应,第三步反应为快反应,则第二步反应的活化能大于第三步反应的活化能,B项正确。根据有效碰撞理论可知,任何化学反应的发生都需要有效碰撞,但每一次碰撞不一定都是有效碰撞,C项错误。反应的中间产物有N2O2和N2O,D项错误。
3.某同学在实验室研究化学反应快慢的影响因素。
(1)研究催化剂对化学反应快慢的影响,实验步骤如下:
Ⅰ.向3支大小相同的试管a、b、c中各加入2 mL 5%H2O2溶液;
Ⅱ.向试管a中加入少量MnO2粉末,向试管b中滴加1~2滴1 mol·L-1FeCl3溶液。实验后,得出结论:MnO2与FeCl3均能加快H2O2的分解,且前者的催化效率更高。
①步骤Ⅰ中分别向3支试管中加入相同体积的溶液的目的是 。
②设计试管c的目的是 。
③若继续用上述实验药品研究温度对H2O2分解快慢的影响,为了便于观察,选择的催化剂是 ;原因是 。
(2)现提供下列实验用品,研究化学反应快慢的影响因素。实验仪器:试管、烧杯、量筒、天平、秒表、酒精灯;实验药品:铝片、铝粉、0.5 mol·L-1盐酸、5 mol·L-1盐酸、蒸馏水。
①利用所提供实验用品,可研究的化学反应快慢的影响因素有温度、 (写两个),通过 (实验现象)判断反应的快慢。
②设计实验探究温度对化学反应快慢的影响,写出实验步骤(实验仪器和药品任选): 。
【答案】(1)①控制变量 ②作空白对照实验 ③FeCl3溶液
FeCl3作催化剂,反应快慢适中,有利于观察反应进行的快慢
(2)①盐酸的浓度、铝的表面积 气泡产生的快慢 ②在2支相同的试管中各装入质量和表面积均相同的铝片,再分别加入相同浓度、相同体积盐酸,将其中一支试管浸入盛有热水的烧杯中,另一支试管置于室温下,观察气泡产生的快慢
【解析】(1)①第Ⅰ步中3支试管中加入相同量的H2O2溶液,作为相同条件以便于后面实验的可靠性,即目的是控制变量。②c中不加入其他试剂用来与前两支试管作比较,作用是作空白对照实验。③MnO2作催化剂,反应激烈,不适合观察反应速率,选择FeCl3作催化剂,原因是FeCl3作催化剂,反应快慢适中,有利于观察反应进行的快慢。
对接高考
4.(2022·湖南卷,12)反应物(S)转化为产物(P或P·Z)的能量与反应进程的关系如下图所示:
下列有关四种不同反应进程的说法正确的是( )。
A.进程Ⅰ是放热反应
B.平衡时P的产率:Ⅱ>Ⅰ
C.生成P的速率:Ⅲ>Ⅱ
D.进程Ⅳ中,Z没有催化作用
【答案】AD
【解析】A项,由图中信息可知,进程Ⅰ中S的总能量大于产物P的总能量,因此进程Ⅰ是放热反应,正确;B项,进程Ⅱ中使用了催化剂X,但是催化剂不能改变产率,因此在两个进程中平衡时P的产率相同,不正确;C项,进程Ⅲ中由S·Y转化为P·Y的活化能高于进程Ⅱ中由S·X转化为P·X的活化能,由于这两步反应分别是两个进程的决速步骤,因此生成P的速率为Ⅲ<Ⅱ,不正确;D项,由图中信息可知,进程Ⅳ中S吸附到Z表面生成S·Z,然后S·Z转化为产物P·Z,由于P·Z没有转化为P+Z,因此,Z没有表现出催化作用,正确。
5.(2023·浙江1月选考,14)标准状态下,气态反应物和生成物的相对能量与反应历程示意图如下[已知O2(g)和Cl2(g)的相对能量为0],下列说法不正确的是( )。
A.E6-E3=E5-E2
B.可计算键能为2(E2-E3)kJ·mol-1
C.相同条件下,O3的平衡转化率:历程Ⅱ>历程Ⅰ
D.历程Ⅰ、历程Ⅱ中速率最快的一步反应的热化学方程式为ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g) ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1
【答案】C
【解析】对比两个历程可知,历程Ⅱ中增加了催化剂,降低了反应的活化能,增大了反应速率。A项,催化剂能降低活化能,但是不能改变反应的焓变,因此E6-E3=E5-E2,正确;B项,已知Cl2(g)的相对能量为0,对比两个历程可知,Cl(g)的相对能量为(E2-E3)kJ·mol-1,则键能为2(E2-E3)kJ·mol-1,正确;C项,催化剂不能改变反应的平衡转化率,因此相同条件下,O3的平衡转化率:历程Ⅱ=历程Ⅰ,错误;D项,活化能越低,反应速率越大,由图像可知,历程Ⅱ中第二步反应的活化能最低,所以速率最大的一步反应的热化学方程式为ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g) ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1,正确。
6.(2022·广东卷,15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X2Y 的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则( )。
A.无催化剂时,反应不能进行
B.与催化剂Ⅰ相比,Ⅱ使反应活化能更低
C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
【答案】D
【解析】A项,由图可知,无催化剂时,随反应进行,生成物浓度也在增加,说明反应也在进行,错误;B项,由图可知,催化剂Ⅰ比催化剂Ⅱ催化效果好,说明催化剂Ⅰ使反应活化能更低,反应更快,错误;C项,由图可知,使用催化剂Ⅱ时,在0~2 min内Y的浓度变化了2.0 mol·L-1,而a曲线表示的X的浓度变化了2.0 mol·L-1,二者变化量之比不等于化学计量数之比,所以a曲线不表示使用催化剂Ⅱ时X浓度随时间t的变化,错误;D项,使用催化剂Ⅰ时,在0~2 min内,Y的浓度变化了4.0 mol·L-1,则v (Y)===2.0 mol·L-1·min-1,v (X)=v (Y)=× 2.0 mol·L-1·min-1=1.0 mol·L-1·min-1,正确。
2
【学习目标】
1.通过实验探究,了解浓度、压强、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响。
2.知道化学反应是有历程的,了解活化能的含义及应用。
3.建立碰撞理论认知模型,并能运用碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对化学反应速率产生的影响。
【自主预习】
一、影响化学反应速率的因素
1.内因
在相同条件下,不同的化学反应的反应速率首先是由 的组成、结构和性质等因素决定的。
2.外界因素
二、有效碰撞理论
1.有效碰撞理论
(1)基元反应:大多数的化学反应往往经过多个反应步骤才能实现。其中每一步反应都称为 。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;又如2HIH2+I2的2个基元反应为2HIH2+2I·、2I·I2。
(2)反应历程
①含义:基元反应构成的反应 。
②特点:a.反应不同,反应 不相同。
b.同一反应,在不同条件下的反应历程也可能不同。
③决定因素:反应历程由反应物的 和反应 决定。
④作用:反应历程的差别造成了化学反应 的不同。
(3)基元反应发生的先决条件
基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生 ,但是并不是每一次分子碰撞都能发生 。
(4)有效碰撞
(5)活化分子和活化能
①活化分子:能够发生 的分子。
对于某一化学反应来说,在一定条件下,反应物分子中活化分子的百分数是一定的。
②活化能:活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量 ,叫作反应的活化能。
(6)反应物、生成物的能量与活化能的关系图
2.有效碰撞理论对影响化学反应速率因素的解释
(1)浓度 (2)压强
反应物浓度增大 → 反应物中活化分子百分数 → 单位体积内分子总数 → 活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。 增大压强(压缩体积) → 反应物中活化分子百分数 → 单位体积内活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。
(3)温度 (4)催化剂
升高温度 → 活化分子百分数 → 单位体积内分子总数 → 活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。 加入催化剂 → 活化分子百分数 → 单位体积内活化分子总数 → 单位时间内有效碰撞次数 → 反应速率 ;反之,反应速率 。
【参考答案】一、1.反应物 2.增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大 相同
二、1.(1)基元反应 (2)①序列 ②历程
③结构 条件 ④速率 (3)碰撞 化学反应 (4)越大 (5)①有效碰撞 ②之差 (6)活化能 能量 逆反应 反应热
2.(1)不变 增多 增多 增多 增大 减小
(2)不变 增多 增多 增大 减小
(3)增大 不变 增多 增多 增大 减小
(4)增大 增多 增多 增大 减小
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)恒温时,增大压强,化学反应速率一定增大。 ( )
(2)其他条件不变,温度越高,化学反应速率越大。 ( )
(3)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。 ( )
(4)使用催化剂可改变反应速率,从而改变该反应过程中吸收或放出的热量。 ( )
(5)活化分子之间发生的碰撞一定为有效碰撞。 ( )
(6)化学反应速率与反应历程有关,相同的反应,条件不同反应历程不同,化学反应速率也不同。 ( )
(7)升高温度能使化学反应速率增大,主要原因是增大了反应物分子中活化分子的百分数。 ( )
(8)有气体参加的化学反应,若增大压强(即缩小反应容器的体积),可增加活化分子的百分数,从而使反应速率增大。 ( )
【答案】(1) × (2) √ (3) √ (4)× (5)× (6) √ (7) √ (8) ×
2.增大浓度或改变压强能增大活化分子百分数吗
【答案】不能。
3.活化分子的碰撞一定是有效碰撞吗
【答案】活化分子的碰撞不一定都是有效碰撞。活化分子数越多,有效碰撞次数就越多,化学反应速率就越快,单位体积内活化分子数与单位体积内反应物分子总数成正比。
【合作探究】
任务1：影响化学反应速率的因素
情境导入 随着人们生活水平的提高,国家家电下乡政策的落实,冰箱、冰柜已进入千家万户。
在28 ℃时,鲜牛奶4小时后变质,但在冰箱中,鲜牛奶48小时后变质,这说明了什么
【实验探究】
1.实验探究浓度对反应速率的影响
实验原理 Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
实验步骤
实验现象 两支试管中的溶液 ,滴加 mol·L-1 H2SO4溶液的试管
实验结论 其他条件相同时,增大反应物浓度,化学反应速率
2.压强对化学反应速率的影响
(1)研究对象——气体模型的理解
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:
由图可知,其他条件不变时,增大压强,气体体积缩小,浓度 。
(2)影响规律
对于有气体参加的化学反应,在相同温度下,增大压强(减小容器体积),反应速率 ;减小压强(增大容器体积),反应速率 。
3.探究温度对反应速率的影响
实验原理 Na2S2O3+H2SO4 Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
实验步骤
实验现象 两支试管中的溶液 ,烧杯中装 的试管
实验结论 其他条件相同时,升高温度,化学反应速率
4.探究催化剂对反应速率的影响
实验原理 2H2O22H2O+O2↑
实验步骤
实验现象 余烬 余烬
实验结论 催化剂可以 化学反应速率
【答案】1.均变浑浊 0.5 先变浑浊 增大
2.(1)增大 (2)增大 减小
3.均变浑浊 热水 先变浑浊 增大
4.没有复燃 复燃 改变
【核心归纳】
1.压强对化学反应速率影响的几种情况
改变压强,影响化学反应速率的根本原因是引起了浓度的改变。所以在讨论时,应注意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化学反应速率加快。
②恒温时,对于恒容密闭容器:
a.充入气体反应物气体反应物浓度增大(压强也增大)化学反应速率加快。
b.充入“惰性气体”总压强增大反应物浓度未改变化学反应速率不变。
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化学反应速率减小。
2.温度对反应速率的影响
升高温度,v正、v逆都增大;降低温度,v正、v逆都减小。
3.催化剂的作用
(1)催化剂只能改变化学反应速率,不能使原来不能发生的反应得以进行。
(2)催化剂一般有选择性,不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂,可以发生不同的反应,从而得到不同的产物。
【典型例题】
【例1】以反应5H2C2O4+2Mn+6H+10CO2↑+2Mn2++8H2O为例探究外界条件对化学反应速率的影响。实验时,分别量取H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液,迅速混合并开始计时,通过测定溶液褪色所需时间来判断反应的快慢。下列说法不正确的是( )。
编号 H2C2O4溶液 酸性KMnO4溶液 温度/℃
浓度/mol·L-1 体积/mL 浓度/mol·L-1 体积/mL
① 0.10 2.0 0.010 4.0 25
② 0.20 2.0 0.010 4.0 25
③ 0.20 2.0 0.010 4.0 50
A.实验①②③所加的H2C2O4溶液均要过量
B.实验①和实验②是探究浓度对化学反应速率的影响,实验②和③是探究温度对化学反应速率的影响
C.实验①和②起初反应均很慢,过了一会儿速率突然增大,可能是生成的Mn2+对反应起催化作用
D.若实验①测得KMnO4溶液的褪色时间为40s,则这段时间内平均反应速率v(KMnO4)=2.5×10-4 mol·L-1·s-1
【答案】D
【解析】由实验数据分析可知,在这三个实验中,所加H2C2O4溶液均过量,A项正确。分析表中数据可知,实验①和实验②只是浓度不同,即实验①和实验②是探究浓度对化学反应速率的影响;实验②和③只是温度不同,所以实验②和③是探究温度对化学反应速率的影响,B项正确。在其他条件都相同时,开始速率很小,过一会儿速率突然增大,说明反应生成了具有催化作用的物质,可能起催化作用的是Mn2+,C项正确;高锰酸钾完全反应,混合后溶液中高锰酸钾的浓度为=×0.010mol·L-1,v(KMnO4)=≈1.7×10-4 mol·L-1·s-1,D项错误。
方法技巧：“控制变量法”探究影响化学反应速率的因素
1.确定变量:解答这类题目时首先要认真审题,理清影响实验探究结果的因素有哪些。
2.定多变一:在探究时,应该先确定其他的因素不变,只变化一种因素,看这种因素与探究的问题存在怎样的关系;这样确定一种以后,再确定另一种,通过分析每种因素与所探究问题之间的关系,得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
3.数据有效:解答时注意选择数据(或设计实验)要有效,且变量统一,否则无法做出正确判断。
任务2：活化能
情境导入 2 mol H2和1 mol O2混合于一个洁净的容器内,已知常温常压下,每个氢分子和氧分子自身或它们之间每秒钟平均碰撞2.355×1010次,如果每一次碰撞都能引发反应,整个容器中的氢气和氧气将在极短的时间内全部变成水。然而事实并非如此,为什么呢
问题生成
1.化学反应都是一步完成的吗
【答案】不是。
2.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。
3.反应历程与化学反应速率有什么关系
【答案】一个化学反应的快慢取决于反应历程中反应速率最慢的基元反应。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。
4.活化分子数改变,化学反应速率就一定发生了改变吗
【答案】不一定。如恒压条件下:2HI(g)H2(g)+I2(g),若增加HI的量,虽然活化分子数增多,但体积增大,各物质的浓度不变,反应速率不变。
【核心归纳】
1.基元反应经历的过程
2.活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
【典型例题】
【例2】下列有关活化分子的说法正确的是( )。
A.增大反应物浓度可以提高活化分子百分数
B.增大体系的压强一定能提高活化分子百分数
C.使用合适的催化剂可以增大活化分子的能量
D.升高温度能提高活化分子百分数
【答案】D
【解析】升高温度、加入催化剂能提高活化分子百分数,且加入催化剂可降低反应的活化能;增加反应物浓度,增大体系压强只增大单位体积活化分子的数目,百分数不变。
【例3】在体积可变的容器中发生反应N2+3H2 2NH3,当增大压强使容器体积缩小时,化学反应速率增大,其主要原因是( )
A.分子运动速率增大,使反应物分子间的碰撞机会增多
B.反应物分子的能量增加,活化分子百分数增大,有效碰撞次数增多
C.活化分子百分数未变,但单位体积内活化分子数增加,有效碰撞次数增多
D.分子间距离减小,使所有的活化分子间的碰撞都成为有效碰撞
【答案】C
【解析】A项,由于温度不变,因此分子运动速率不变,错误;B项,由于温度不变,因此反应物分子的能量不变,错误;D项,增大压强使容器体积缩小时,单位体积内反应物浓度增大,单位体积内活化分子间的碰撞不一定都是有效碰撞,只有取向合适才能发生反应,才是有效碰撞,错误。
方法技巧：外界条件对化学反应速率的影响
外界条件 反应物浓度 气体反应物的压强 温度 使用催化剂
增大 减小 增大 减小 升高 降低
活化能 不变 不变 不变 不变 不变 不变 降低
单位体积活化分子数 增多 减少 增多 减少 增多 减少 增多
活化分子百分数 不变 不变 不变 不变 增大 减小 增大
有效碰撞次数 增多 减少 增多 减少 增多 减少 增多
反应速率 增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大
【随堂检测】
课堂基础
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( )。
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.升高温度能增大反应速率
D.改变压强对反应速率无影响
【答案】C
【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.对于反应2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g),科学家根据光谱学研究提出如下反应历程:
第一步:2NON2O2 快速平衡
第二步:N2O2+H2N2O+H2O 慢反应
第三步:N2O+H2N2+H2O 快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列叙述正确的是( )。
A.若第一步反应ΔH<0,则升高温度,v正减小,v逆增大
B.第二步反应的活化能大于第三步反应的活化能
C.第三步反应中N2O与H2的每一次碰撞都是有效碰撞
D.反应的中间产物只有N2O2
【答案】B
【解析】不管ΔH<0,还是ΔH>0,升高温度,v正和v逆均增大,A项错误。第二步反应为慢反应,第三步反应为快反应,则第二步反应的活化能大于第三步反应的活化能,B项正确。根据有效碰撞理论可知,任何化学反应的发生都需要有效碰撞,但每一次碰撞不一定都是有效碰撞,C项错误。反应的中间产物有N2O2和N2O,D项错误。
3.某同学在实验室研究化学反应快慢的影响因素。
(1)研究催化剂对化学反应快慢的影响,实验步骤如下:
Ⅰ.向3支大小相同的试管a、b、c中各加入2 mL 5%H2O2溶液;
Ⅱ.向试管a中加入少量MnO2粉末,向试管b中滴加1~2滴1 mol·L-1FeCl3溶液。实验后,得出结论:MnO2与FeCl3均能加快H2O2的分解,且前者的催化效率更高。
①步骤Ⅰ中分别向3支试管中加入相同体积的溶液的目的是 。
②设计试管c的目的是 。
③若继续用上述实验药品研究温度对H2O2分解快慢的影响,为了便于观察,选择的催化剂是 ;原因是 。
(2)现提供下列实验用品,研究化学反应快慢的影响因素。实验仪器:试管、烧杯、量筒、天平、秒表、酒精灯;实验药品:铝片、铝粉、0.5 mol·L-1盐酸、5 mol·L-1盐酸、蒸馏水。
①利用所提供实验用品,可研究的化学反应快慢的影响因素有温度、 (写两个),通过 (实验现象)判断反应的快慢。
②设计实验探究温度对化学反应快慢的影响,写出实验步骤(实验仪器和药品任选): 。
【答案】(1)①控制变量 ②作空白对照实验 ③FeCl3溶液
FeCl3作催化剂,反应快慢适中,有利于观察反应进行的快慢
(2)①盐酸的浓度、铝的表面积 气泡产生的快慢 ②在2支相同的试管中各装入质量和表面积均相同的铝片,再分别加入相同浓度、相同体积盐酸,将其中一支试管浸入盛有热水的烧杯中,另一支试管置于室温下,观察气泡产生的快慢
【解析】(1)①第Ⅰ步中3支试管中加入相同量的H2O2溶液,作为相同条件以便于后面实验的可靠性,即目的是控制变量。②c中不加入其他试剂用来与前两支试管作比较,作用是作空白对照实验。③MnO2作催化剂,反应激烈,不适合观察反应速率,选择FeCl3作催化剂,原因是FeCl3作催化剂,反应快慢适中,有利于观察反应进行的快慢。
对接高考
4.(2022·湖南卷,12)反应物(S)转化为产物(P或P·Z)的能量与反应进程的关系如下图所示:
下列有关四种不同反应进程的说法正确的是( )。
A.进程Ⅰ是放热反应
B.平衡时P的产率:Ⅱ>Ⅰ
C.生成P的速率:Ⅲ>Ⅱ
D.进程Ⅳ中,Z没有催化作用
【答案】AD
【解析】A项,由图中信息可知,进程Ⅰ中S的总能量大于产物P的总能量,因此进程Ⅰ是放热反应,正确;B项,进程Ⅱ中使用了催化剂X,但是催化剂不能改变产率,因此在两个进程中平衡时P的产率相同,不正确;C项,进程Ⅲ中由S·Y转化为P·Y的活化能高于进程Ⅱ中由S·X转化为P·X的活化能,由于这两步反应分别是两个进程的决速步骤,因此生成P的速率为Ⅲ<Ⅱ,不正确;D项,由图中信息可知,进程Ⅳ中S吸附到Z表面生成S·Z,然后S·Z转化为产物P·Z,由于P·Z没有转化为P+Z,因此,Z没有表现出催化作用,正确。
5.(2023·浙江1月选考,14)标准状态下,气态反应物和生成物的相对能量与反应历程示意图如下[已知O2(g)和Cl2(g)的相对能量为0],下列说法不正确的是( )。
A.E6-E3=E5-E2
B.可计算键能为2(E2-E3)kJ·mol-1
C.相同条件下,O3的平衡转化率:历程Ⅱ>历程Ⅰ
D.历程Ⅰ、历程Ⅱ中速率最快的一步反应的热化学方程式为ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g) ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1
【答案】C
【解析】对比两个历程可知,历程Ⅱ中增加了催化剂,降低了反应的活化能,增大了反应速率。A项,催化剂能降低活化能,但是不能改变反应的焓变,因此E6-E3=E5-E2,正确;B项,已知Cl2(g)的相对能量为0,对比两个历程可知,Cl(g)的相对能量为(E2-E3)kJ·mol-1,则键能为2(E2-E3)kJ·mol-1,正确;C项,催化剂不能改变反应的平衡转化率,因此相同条件下,O3的平衡转化率:历程Ⅱ=历程Ⅰ,错误;D项,活化能越低,反应速率越大,由图像可知,历程Ⅱ中第二步反应的活化能最低,所以速率最大的一步反应的热化学方程式为ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g) ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1,正确。
6.(2022·广东卷,15)在相同条件下研究催化剂Ⅰ、Ⅱ对反应X2Y 的影响,各物质浓度c随反应时间t的部分变化曲线如图,则( )。
A.无催化剂时,反应不能进行
B.与催化剂Ⅰ相比,Ⅱ使反应活化能更低
C.a曲线表示使用催化剂Ⅱ时X的浓度随t的变化
D.使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
【答案】D
【解析】A项,由图可知,无催化剂时,随反应进行,生成物浓度也在增加,说明反应也在进行,错误;B项,由图可知,催化剂Ⅰ比催化剂Ⅱ催化效果好,说明催化剂Ⅰ使反应活化能更低,反应更快,错误;C项,由图可知,使用催化剂Ⅱ时,在0~2 min内Y的浓度变化了2.0 mol·L-1,而a曲线表示的X的浓度变化了2.0 mol·L-1,二者变化量之比不等于化学计量数之比,所以a曲线不表示使用催化剂Ⅱ时X浓度随时间t的变化,错误;D项,使用催化剂Ⅰ时,在0~2 min内,Y的浓度变化了4.0 mol·L-1,则v (Y)===2.0 mol·L-1·min-1,v (X)=v (Y)=× 2.0 mol·L-1·min-1=1.0 mol·L-1·min-1,正确。
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