人教版 A版（2019） 高中化学选择性必修一 第二章 化学反应速率与化学平衡 第一节 化学反应速率 第2课时 影响化学反应速率的因素 教案1
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| 名称 | 人教版 A版（2019） 高中化学选择性必修一 第二章 化学反应速率与化学平衡 第一节 化学反应速率 第2课时 影响化学反应速率的因素 教案1 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 925.5KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-06-13 14:17:16 | ||
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文档简介
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第一节 化学反应速率
第2课时 影响化学反应速率的因素
教学目标
1.了解温度、浓度和催化剂对化学反应速率的影响,进而了解影响化学反应速率的因素。
2.通过实验探究影响化学反应速率的因素,形成基于浓度、压强和温度等条件对反应速率影响的预测和研究方法的模型。
3.进一步体会变量控制法、对照实验法和科学归纳法等科学研究方法。
评价目标
1.通过学生自主设计实验,检测学生对影响化学反应速率因素的认知和理解。
2.通过实验设计中设置的问题,检测学生对科学研究方法的认知和理解。
教学重难点
重点:了解影响化学反应速率的因素,形成“证据推理”的化学核心素养。
难点:影响化学反应速率的因素。
教学方法
实验教学法、问题引导、科学归纳。
课时安排
1课时。
教学准备
学案、多媒体课件。
【引入新课】
【引入】在我们学过的不同化学反应中,有的很快完成,比如爆炸、燃烧等;有的完成的比较慢,比如发酵、生锈等。即使是同一个化学反应,发生的速率也会随着条件的改变而速率不同,比如食物的腐烂。那么影响化学反应速率的因素究竟有哪些呢?今天我们通过自主设计实验来一起探究。
(设计意图:通过列举生活中不同的化学反应的速率和同一反应的不同速率,让学生体会并深入思考,初步了解影响化学反应速率的因素。)
【知识回顾】
1.初中我们学习过“金属活动性顺序”,知道可以从与酸反应的快慢角度判断金属的活泼性,从影响反应速率因素的角度思考一下,这说明什么问题?
2.上节课我们学习了“测定锌与稀硫酸反应速率”实验(课本P26实验探究Ⅱ),这个实验如果从影响反应速率因素的角度思考,说明什么问题?
【学生回答】试着从影响化学反应速率的内因和外因的角度回答。
(设计意图:通过学生已有的知识,引出影响化学反应速率的内因和外因,为学生设计实验进行下一步探究做好铺垫。)
【讲授新课】
【教师讲解】在相同条件下,不同的化学反应会有不同的速率,这表明反应速率首先是由反应物的组成、结构和性质等因素决定的。浓度、压强、温度及催化剂等外界因素对反应速率的影响也很大,实验中可以通过定性观察的方法来比较化学反应速率的大小。
【板书】第2课时 影响化学反应速率的因素
一、内因:反应物的组成、结构、性质等
二、外因:浓度、温度、压强、催化剂等
三、设计实验、形成结论
根据课本P26实验探究Ⅰ,设计实验分别探究不同因素对化学反应速率的影响。
教学环节一:设计实验探究浓度对化学反应速率的影响。
【提出问题】浓度如何影响化学反应速率?
【实验原理】Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+S↓+SO2↑+H2O
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究浓度对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
【思考】实验中应该注意哪些问题?
教学环节二:设计实验探究温度对化学反应速率的影响。
【提出问题】温度如何影响化学反应速率?
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究温度对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
教学环节三:设计实验探究催化剂对化学反应速率的影响。
【提出问题】催化剂如何影响化学反应速率?
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究催化剂对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
【思考】上述实验探究中,你用到了哪些科学方法?
【学生活动】小组讨论,并回答:用了控制变量法、对照实验法、科学归纳法和转换法等。影响反应速率的因素有多个,用控制变量法逐个探究其对反应速率的影响规律;化学反应速率并不易直接观察认识,可以通过转化为观察沉淀产生速度、气泡生成快慢等来测定反应速率的大小。
(设计意图:通过学生的实验探究,一方面直观的感受浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响;另一方面让学生进一步掌握科学的研究方法,培养学生科学的学习态度和思维习惯。)
【知识小结】外界条件对反应速率的影响规律。
1.浓度——增大反应物浓度,化学反应速率增大;减小反应物浓度,化学反应速率减小。
2.温度——升高温度,化学反应速率增大;降低温度,化学反应速率减小。
3.催化剂——催化剂可以改变化学反应速率(可以增大化学反应速率,也可以减小化学反应速率)。
【思考】压强如何影响化学反应速率呢?压强对固体、液体和气体的影响是否相同?
【学生活动】分组探讨,得出结论:对于压强的改变,只有引起反应体系中反应物浓度的变化,才会对反应速率产生影响。如果参加反应的物质是固体、纯液体或溶液时,由于改变压强对它们的体积影响很小,因而它们的浓度改变也很小,可以认为压强与它们的反应速率无关。有气体参加,当其他条件不变时,增大压强如果改变了气体的浓度,化学反应速率增大,反之,减小压强,如果导致气体浓度减小,则化学反应速率减小。
4.压强:有气体参与的反应,一般而言,增大压强,化学反应速率增大;减小压强,化学反应速率减小。
【总结提升】除了改变浓度、温度、压强及选用催化剂等,还有很多改变化学反应速率的方法。例如,通过光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。总之,向反应体系中输入能量,都有可能改变化学反应速率。
1.下列有关化学反应速率的说法正确的是( )
A.用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,改用98%的浓硫酸可以增大产生氢气的速率
B.100 mL 2 mol·L-1的盐酸与锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,反应速率不变
C.NH3的催化氧化是一个放热的反应,所以,升高温度,反应的速率减小
D.在一定温度下固定容积的容器中,发生SO2的催化反应,充入He,反应速率不变
答案 D
解析 常温下,铁在浓硫酸中发生钝化现象,故用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,若改用98%的浓硫酸不会产生氢气,故A错误;100 mL 2 mol·L-1的盐酸与锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,锌与氯化钠溶液不反应,但盐酸的浓度降低,反应速率减小,故B错误;不管吸热反应还是放热反应,升高温度,反应速率均增大,故C错误;在一定温度下,固定容积的容器中,发生SO2的催化反应,充入He,反应物的浓度不变,反应速率不变,故D正确。故选D。
2.少量的锌粉和足量稀盐酸反应,当向其中加入少量的下列物质时,能增大化学反应速率,但不影响产生H2总量的是( )
①铁粉 ②醋酸钠固体 ③石墨粉 ④硝酸钾固体 ⑤CaCO3 ⑥浓盐酸
A.②④⑥ B.①②⑤⑥ C.③⑥ D.②③④⑥
答案 C
解析 ①加入铁粉,构成原电池,反应速率增大,锌完全反应后,铁会与盐酸反应生成氢气,使产生的氢气总量增加,故不选①;②加入醋酸钠固体,会和盐酸反应生成醋酸,氢离子的浓度减小,所以反应速率减小,故不选②;③加入石墨粉,构成原电池,反应速率增大,锌完全反应后,石墨不会与盐酸反应生成氢气,不会影响产生H2总量,故选③;④加入硝酸钾固体,硝酸根离子在酸性条件下具有强氧化性,与锌反应不生成氢气,故不选④;⑤加入CaCO3会消耗盐酸,反应速率减小,故不选⑤;⑥加入浓盐酸,反应速率增大,且不影响产生H2总量,故选⑥。综上所述,③⑥符合题意,答案选C。
3.某化学小组为探究外界条件对化学反应速率的影响做了如下实验,请按要求回答下列问题:
(1)室温下,利用图1装置进行下表对比实验,探究影响H2O2分解速率的因素,所得数据如图2所示,补全表中空白。
图1 图2
实验 所用试剂
Ⅰ 1 mL H2O ① ?
Ⅱ Fe2O3 10 mL 5%H2O2溶液
Ⅲ MnO2 10 mL 5%H2O2溶液
Ⅳ 1 mL 20%NaOH溶液 9 mL 5%H2O2溶液
②实验Ⅱ、Ⅲ对比得出的结论是 。?
③实验Ⅰ、Ⅳ对比得出的结论是 。?
(2)探究影响Na2S2O3溶液与稀硫酸反应速率的因素
实验
Na2S2O3溶液 H2SO4溶液
出现
沉淀
所需
时间/s
Ⅰ 0 5 0.1 10 0.1 5 8
Ⅱ 0 5 0.1 5 0.1 x 12
Ⅲ 30 5 0.1 5 0.1 10 4
①本组实验原理的离子方程式: 。?
②实验Ⅰ、Ⅱ对比控制的变量是 。?
③实验Ⅲ的目的是 。?
(3)在25 ℃时,实验测得溶液中的反应:2HI+H2O22H2O+I2在反应物浓度不同时的反应速率数据如下表:
实验编号 1 2 3 4 5
0.100 0.200 0.300 0.100 0.100
0.100 0.100 0.100 0.200 0.300
0.007 6 0.015 3 0.022 7 0.015 2 0.022 8
由表中数据得到的结论是 。?
答案 (1)①9 mL 5%H2O2溶液 ②MnO2比Fe2O3催化H2O2的分解效率高 ③碱性环境有利于H2O2的分解,速率更快 (2)①S2+2H+S↓+SO2↑+H2O ②硫酸的浓度 ③探究温度对该反应速率的影响 (3)25 ℃下此反应的v分别与c(HI)、c(H2O2)成正比
解析 (1)①根据实验Ⅰ与Ⅱ或Ⅲ的数据对比可知,反应的总溶液体积为10 mL,所以实验Ⅰ中5%H2O2溶液的体积为10 mL-1 mL=9 mL;②根据表中实验Ⅱ与Ⅲ的数据和图2可知,相同时间内,实验Ⅲ的反应速率较快,MnO2的催化效果好,催化效率高;③实验Ⅰ、Ⅳ的目的是研究溶液的酸碱性对反应速率的影响,由图2可知,实验Ⅳ的反应速率远大于实验Ⅰ,二者反应条件不同:实验Ⅳ在碱性条件下进行,即碱性条件下H2O2的分解速率更快。(2)①Na2S2O3与稀硫酸反应生成Na2SO4、SO2、S和H2O,离子方程式为S2+2H+S↓+SO2↑+H2O;②对比实验Ⅰ、Ⅱ可知:反应温度相同,Na2S2O3的浓度相同,溶液总体积均为20 mL,仅仅是加入H2SO4溶液的体积不同,即硫酸的浓度不同,实验Ⅰ、Ⅱ对比控制的变量是硫酸的浓度;③实验Ⅱ、Ⅲ的变量是温度,所以实验Ⅲ的目的是探究温度对该反应速率的影响。(3)实验1、2、3是探究c(HI)对反应速率的影响,实验1、4、5是探究c(H2O2)对反应速率的影响,由表中数据可知,c(HI)增大一倍,总反应速率约增大一倍,c(H2O2)增大一倍,总反应速率约增大一倍,即总反应速率与c(H2O2)、c(HI)是线性正比例关系,即25 ℃下此反应的v分别与c(HI)、c(H2O2)成正比。
通过今天这节课的学习,我们知道了反应速率首先是由反应物的组成、结构和性质等因素决定的。浓度、压强、温度及催化剂等因素对反应速率的影响也很大,实验中可以通过定性观察的方法来比较化学反应速率的大小。我们学会了用控制变量法设计实验方案,并建立方法模型且运用模型,体会控制变量法在实验设计中的应用,希望同学们巩固本节课知识和方法,在真实情境中学会分析解决相关问题,学以致用,体会化学对生产生活和工业生产的重要性。
完成课本相应练习题。
本节课的主要形式是通过分组实验的方式,让学生通过探究了解影响化学反应速率的因素,并初步运用这些影响因素了解如何调控化学反应速率。这样的探究能充分培养学生的团队合作精神和观察描述交流的能力。且学生的课堂参与度高,积极性好,课堂效率高。
对于浓度、温度和催化剂的探究,教学中通过为学生的探究提供开放式的学习环境,让学生大胆假设,然后通过实验进行验证,最终得出正确结论,学生能充分理解三者对化学反应速率的影响,并建立分析化学反应速率影响因素的思维模型,进而推导出压强对反应速率的影响。通过建立模型、使用模型的过程,学生对“证据推理与模型认知”有了更深入的理解。
在本节课的最后,还可以设置问题,为下节课留下伏笔:为什么这些因素会影响化学反应速率呢?如何从微观角度进行进一步的解释呢?这样,激发起学生的求知欲,对于增强学生对化学学习的兴趣,有很大的帮助。
1.日常生活中的下列做法不是为了增大化学反应速率的是( )
A.清洗水壶垢用较浓白醋 B.将煤块粉碎后燃烧
C.发馒头加酵母粉 D.月饼盒内放置还原性铁粉
答案 D
解析 白醋的浓度越大,与水垢反应的速率越快,故A不符合题意;粉碎煤块可以增大与氧气的接触面积,从而增大反应速率,故B不符合题意;酵母粉属于生物催化剂,可增大反应速率,故C不符合题意;加铁粉作还原剂,吸收氧气可防止食物的氧化变质,故D符合题意;故选D。
2.根据下列实验事实所推出的影响化学反应的因素不合理的是( )
选项 实验事实 影响化学反
应的因素
A 铁丝在空气中很难燃烧,而在氧气中能剧烈燃烧 反应物的种类
B 碳在常温下不与氧气发生反应,而在点燃时能与氧气反应 反应温度
C 双氧水分解缓慢,而在加入二氧化锰后迅速分解 催化剂
D Zn粉与同浓度盐酸反应的速率比Zn粒快 反应物的表面积
答案 A
解析 空气和氧气中氧气的浓度不同,氧气的浓度越大,与铁反应越剧烈,故影响因素是反应物的浓度,故A错误;常温和点燃时的温度不同,所以影响因素是反应温度,故B正确;双氧水在常温下分解缓慢,而在加入二氧化锰后迅速分解,二氧化锰增大了双氧水的分解速率,所以影响因素是催化剂,故C正确;Zn粉与同浓度的盐酸反应的速率比Zn粒快,是由于Zn粉的颗粒小,与盐酸的接触面积大,所以反应速率快,影响因素是反应物的表面积,故D正确。故答案为A。
3.为了研究碳酸钙粉末与稀盐酸反应的反应速率,某同学利用图1所示装置通过实验测定反应中生成的CO2的体积随反应时间变化的情况,绘制出图2所示的曲线。已知该反应是放热反应,下列说法正确的是( )
图1 碳酸钙与稀盐酸反应装置
图2 CO2的体积随时间的变化
A.t1~t2段反应速率大于0~t1段的主要原因是此阶段盐酸的浓度较大
B.t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段反应体系的温度降低
C.t4时刻不再产生气体,表明碳酸钙已经完全消耗
D.微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,则装置气密性良好
答案 D
解析 t1~t2段反应速率大于0~t1段的主要原因是反应放热造成此阶段反应体系温度较高,A项错误;t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段盐酸的浓度减小,B项错误;t4时刻不再生成更多的气体,可能盐酸反应完全,碳酸钙因过量而仍有剩余,C项错误;微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,表明装置气密性良好,D项正确。答案选D。
4.某研究性学习小组向一定量的NaHSO3溶液(加入少量淀粉)中加入稍过量的KIO3溶液,一段时间后,溶液突然变蓝。为进一步研究有关因素对反应速率的影响,探究如下:
(1)查阅资料知:NaHSO3与过量KIO3反应分为两步进行,第一步反应的离子方程式为I+3HS3S+I-+3H+,则第二步反应的离子方程式为 ;分两步进行的反应,其反应速率主要由慢反应决定,所以NaHSO3与过量KIO3反应中,慢反应是 (填“第一步”或“第二步”)反应。?
(2)通过测定溶液变蓝所用时间来探究外界条件对该反应速率的影响,记录如下表所示:
编号 0.01 mol·L-1NaHSO3溶液的体积/mL 0.01 mol·L-1KIO3溶液的体积/mL H2O的体积/mL 反应温度/℃ 溶液变蓝所用时间t/s
① 4.0 14.0 2.0 15 t1
② 6.0 14.0 0 15 t2
③ 6.0 a b 25 t3
实验①②是探究 对反应速率的影响,表中t1 (填“>”“=”或“<”)t2;实验②③是探究温度对反应速率的影响,表中a= ,b= 。?
(3)将NaHSO3溶液与KIO3溶液在恒温条件下混合,用速率检测仪检测出起始阶段反应速率逐渐增大。该小组对其原因提出假设,认为是生成的S对反应起催化作用,故设计实验验证,试完成表中的内容。
实验步骤(不要求写出具体操作过程) 预期实验现象和结论
Ⅰ.在烧杯甲中将一定量的NaHSO3溶液与KIO3溶液混合,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(甲) Ⅱ.在烧杯乙中先加入少量 ,其他条件与甲完全相同,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(乙)? 若v(甲) (填“>”“<”或“=”,下同)v(乙),则假设不成立;?
若v(甲) v(乙),则假设成立?
答案 (1)I+5I-+6H+3I2+3H2O 第一步
(2)NaHSO3溶液的浓度 > 14.0 0
(3)Na2SO4粉末 = <
解析 (1)NaHSO4与过量KIO3反应分为两步进行,第一步反应的离子方程式为I+3HS3S+I-+3H+,则第二步反应的离子方程式为I+5I-+6H+3I2+3H2O,其反应速率主要由慢反应决定,一段时间后,溶液突然变蓝,则第一步为慢反应。(2)实验①②是探究NaHSO3溶液的浓度对反应速率的影响,浓度越大、反应速率越快,则表中t1>t2;实验②③是探究温度对反应速率的影响,表中a=14.0,b=0。(3)生成的S对反应起催化作用,可作对比实验证明,甲为参照物。
实验步骤 预期实验现象和结论
Ⅰ.在烧杯甲中将一定量NaHSO4溶液与KIO3溶液混合,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(甲) Ⅱ.在烧杯乙中先加入少量Na2SO4粉末,其他条件与甲完全相同,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(乙) 若v(甲)=v(乙),则假设不成立;若v(甲)5.为探究化学反应速率的影响因素,学生设计了锌与过量的c mol·L-1 100 mL盐酸起反应的实验,得到了下面的结果:
序号 锌的质量/g 锌的形状 温度/℃ 完全溶解于酸的
时间/s
① 2.0 薄片 15 200
② 2.0 薄片 25 100
③ 2.0 薄片 30 t1
④ 2.0 薄片 35 50
⑤ 2.0 颗粒 25 t2
⑥ 2.0 粉末 25 t3
(1)上述实验中①②③④是探究 对化学反应速率的影响; (填序号)是探究固体表面积对化学反应速率的影响。?
(2)下列说法正确的是 。?
a.t1=75 s
b.100>t2>t3
c.单位时间内消耗锌的质量:⑤>⑥>②
d.以上都不正确
(3)②中气泡生成的速率与时间的关系大致如图。推测从O到t速率不减反增的原因可能是 。?
(4)某同学为了探究化学腐蚀与电化学腐蚀的速率,设计实验与②进行对照。操作如下:25 ℃时,另取一个烧杯,放入与实验②完全相同的锌片,先加入2 mL某浓度的 溶液,再加入与②相同的盐酸。可以观察到 。?
答案 (1)温度 ②⑤⑥ (2)d (3)反应放热使温度升高,增大了化学反应速率 (4)硫酸铜(或CuSO4) 放出气泡的速率明显比②快
解析 (1)实验中①②③④中锌的质量、形状相同,而温度不同,目的是探究温度对反应速率的影响,利用控制变量法探究固体表面积对化学反应速率的影响时需要保证其他因素一致,分析表中第②组、第⑤组、第⑥组其他条件形态,锌的形状不同,表面积不同。(2)根据表中①②④三组分析,温度每升高10 ℃,锌溶解的时间变为原来的一半,即反应速率是原来的两倍,则其他条件不变时,则温度从25 ℃升高到30 ℃,反应速率v=×v0=v0,即30 ℃时反应速率是25 ℃的倍,则锌溶解完的时间是原来的,则t1=×100=70.7 s,a错误;第②组、第⑤组、第⑥组其他条件相同,锌的形状不同,反应速率与固体表面积有关,表面积越大,反应速率越快,表面积:粉末>薄片>颗粒,则反应速率⑥>②>⑤,故反应时间:t3<100②>⑤,故单位时间内消耗锌的质量:⑥>②>⑤,c错误,故答案选d。(3)随着反应的进行,盐酸的浓度逐渐降低,反应速率逐渐减小,但该反应是放热反应,随着反应的进行温度升高,反应速率增大,则O~t时间内,反应速率主要由温度影响,t过后反应速率主要由盐酸的浓度影响。(4)根据实验目的是探究化学腐蚀与电化学腐蚀速率的实验,以第②组实验为对照,滴加硫酸铜溶液,锌与硫酸铜发生反应:Zn+Cu2+Cu+Zn2+,生成的Cu单质覆盖在锌片上,形成Cu-Zn原电池,增大产生H2的速率。
第一节 化学反应速率
第2课时 影响化学反应速率的因素
一、内因:反应物的组成、结构、性质等
二、外因:浓度、温度、压强、催化剂等
1.浓度——浓度增大,反应速率增大;反之,反应速率减小
2.温度——温度升高,反应速率增大;反之,反应速率减小
3.催化剂——催化剂可以改变化学反应速率(可以增大化学反应速率,也可以减小化学反应速率)
4.压强:对于有气体参与的反应,增大压强,反应速率增大;反之,反应速率减小
三、设计实验、形成结论
影响化学反应速率的因素之溶剂对反应速率的影响
在均相反应中,溶液的反应远比气相反应多得多(有人粗略估计有90%以上均相反应是在溶液中进行的)。但研究溶液中反应的动力学要考虑溶剂分子所起的物理的或化学的影响,另外在溶液中有离子参加的反应常常是瞬间完成的,这也造成了观测动力学数据的困难。最简单的情况是溶剂仅引起介质作用的情况。在溶液中起反应的分子要通过扩散穿过周围的溶剂分子之后,才能彼此接触,反应后生成物分子也要穿过周围的溶剂分子通过扩散而离开。
扩散——就是对周围溶剂分子的反复挤撞,从微观角度,可以把周围溶剂分子看成是形成了一个笼,而反应分子则处于笼中。分子在笼中持续时间比气体分子互相碰撞的持续时间长10~100倍,这相当于它在笼中可以经历反复的多次碰撞。
笼效应——就是指反应分子在溶剂分子形成的笼中进行多次的碰撞(或振动)。这种连续反复碰撞则称为一次偶遇,所以溶剂分子的存在虽然限制了反应分子作远距离的移动,减少了与远距离分子的碰撞机会,但却增加了近距离分子的重复碰撞,总的碰撞频率并未降低。
据粗略估计,在水溶液中,对于一对无相互作用的分子,在一次偶遇中它们在笼中的时间为10~12 s,在这段时间内要进行100~1 000次的碰撞。然后偶尔有机会跃出这个笼子,扩散到别处,又进入另一个笼中。可见溶液中分子的碰撞与气体中分子的碰撞不同,后者的碰撞是连续进行的,而前者则是分批进行的,一次偶遇相当于一批碰撞,它包含着多次的碰撞。而就单位时间内的总碰撞次数而论,大致相同,不会有数量级上的变化。所以溶剂的存在不会使活化分子减少。A和B发生反应必须通过扩散进入同一笼中,反应物分子通过溶剂分子所构成的笼所需要的活化能一般不会超过20 kJ·mol-1,而分子碰撞进行反应的活化能一般在40~400 kJ·mol-1之间。
由于扩散作用的活化能小很多,所以扩散作用一般不会影响反应的速率。但也有不少反应的活化能很小,例如自由基的复合反应、水溶液中的离子反应等,则反应速率取决于分子的扩散速率,即与它在笼中的时间成正比。
从以上的讨论可以看出,如果溶剂分子与反应分子没有显著的作用,则一般来说碰撞理论对溶液中的反应也是适用的,并且对于同一反应无论在气相中或在溶液中进行,其概率因素和活化能都大体具有同样的数量级,因而反应速率也大体相同。但是也有一些反应,溶剂对反应有显著的影响。例如某些平行反应,常可借助溶剂的选择,使得其中一种反应的速率变得较快,使某种产品的数量增多。
溶剂对反应速率的影响是一个极其复杂的问题,一般来说,溶剂的介电常数对于有离子参加的反应有影响。因为溶剂的介电常数越大,离子间的引力越弱,所以介电常数比较大的溶剂常不利于离子间的化合反应。
溶剂的极性对反应速率的影响。如果生成物的极性比反应物的大,则其在极性溶剂中反应速率比较大;反之,如果反应物的极性比生成物的大,则其在极性溶剂中的反应速率必变小。
溶剂化的影响。作用物与生成物在溶液中都能或多或少地形成溶剂化物。这些溶剂化物若与任一种反应分子生成不稳定的中间化合物而使活化能降低,则可以使反应速率增大。如果溶剂分子与作用物生成比较稳定的化合物,则一般常能使活化能升高,从而减小反应速率。如果活化络合物溶剂化后的能量降低,则降低了活化能,就会使反应速率增大。
离子强度的影响(也称为原盐效应)。在稀溶液中如果作用物都是电解质,则反应的速率与溶液的离子强度有关。也就是说第三种电解质的存在对于反应速率有影响。
当金属与电解质溶液反应时,如果金属中含有杂质,就会形成原电池,使反应速率增大,这就是粗锌比纯锌与酸的反应速率更快的原因。
1.在相同条件下研究催化剂Ⅰ、催化剂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,催化剂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 由题图可知,无催化剂时反应可以进行,A项错误;由题图可知,加入催化剂Ⅱ,在2 min时生成物Y的浓度为2.0 mol·L-1,加入催化剂Ⅰ,在2 min时生成物Y的浓度为4.0 mol·L-1,因此催化剂Ⅰ使反应速率更大,即催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;由题图可知,a曲线表示的是反应物浓度随时间的变化曲线,即表示X的浓度变化的曲线,2 min内,X的浓度减少2.0 mol·L-1,由X2Y可知,生成物Y的浓度应增加4.0 mol·L-1,其对应的应是使用催化剂Ⅰ的曲线,因此a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随时间的变化,C项错误;由题图可知,使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(Y)==2.0 mol·L-1·min-1,v(X)=v(Y)=1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
2.H2O2分解速率受多种因素影响。实验测得70 ℃时不同条件下H2O2浓度随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
甲 乙
丙 丁
A.图甲表明,其他条件相同时,H2O2浓度越小,其分解速率越快
B.图乙表明,其他条件相同时,溶液pH越小,H2O2分解速率越快
C.图丙表明,少量Mn2+存在时,溶液碱性越强,H2O2分解速率越快
D.图丙和图丁表明,碱性溶液中,Mn2+对H2O2分解速率的影响大
答案 D
解析 A项,从图甲看,其他条件相同时,起始时H2O2的浓度越小,对应曲线的斜率越小,则反应速率越慢,错误;B项,从图乙看,其他条件相同时,溶液中OH-的浓度越大,pH越大,对应曲线的斜率越大,则H2O2分解得越快,错误;C项,从图丙看,相同时间内,0.1 mol·L-1 NaOH条件下,H2O2分解速率最快,0 mol·L-1 NaOH的条件下,H2O2分解速率最慢,而1.0 mol·L-1 NaOH的条件下,H2O2分解速率处于二者之间,错误。
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第一节 化学反应速率
第2课时 影响化学反应速率的因素
教学目标
1.了解温度、浓度和催化剂对化学反应速率的影响,进而了解影响化学反应速率的因素。
2.通过实验探究影响化学反应速率的因素,形成基于浓度、压强和温度等条件对反应速率影响的预测和研究方法的模型。
3.进一步体会变量控制法、对照实验法和科学归纳法等科学研究方法。
评价目标
1.通过学生自主设计实验,检测学生对影响化学反应速率因素的认知和理解。
2.通过实验设计中设置的问题,检测学生对科学研究方法的认知和理解。
教学重难点
重点:了解影响化学反应速率的因素,形成“证据推理”的化学核心素养。
难点:影响化学反应速率的因素。
教学方法
实验教学法、问题引导、科学归纳。
课时安排
1课时。
教学准备
学案、多媒体课件。
【引入新课】
【引入】在我们学过的不同化学反应中,有的很快完成,比如爆炸、燃烧等;有的完成的比较慢,比如发酵、生锈等。即使是同一个化学反应,发生的速率也会随着条件的改变而速率不同,比如食物的腐烂。那么影响化学反应速率的因素究竟有哪些呢?今天我们通过自主设计实验来一起探究。
(设计意图:通过列举生活中不同的化学反应的速率和同一反应的不同速率,让学生体会并深入思考,初步了解影响化学反应速率的因素。)
【知识回顾】
1.初中我们学习过“金属活动性顺序”,知道可以从与酸反应的快慢角度判断金属的活泼性,从影响反应速率因素的角度思考一下,这说明什么问题?
2.上节课我们学习了“测定锌与稀硫酸反应速率”实验(课本P26实验探究Ⅱ),这个实验如果从影响反应速率因素的角度思考,说明什么问题?
【学生回答】试着从影响化学反应速率的内因和外因的角度回答。
(设计意图:通过学生已有的知识,引出影响化学反应速率的内因和外因,为学生设计实验进行下一步探究做好铺垫。)
【讲授新课】
【教师讲解】在相同条件下,不同的化学反应会有不同的速率,这表明反应速率首先是由反应物的组成、结构和性质等因素决定的。浓度、压强、温度及催化剂等外界因素对反应速率的影响也很大,实验中可以通过定性观察的方法来比较化学反应速率的大小。
【板书】第2课时 影响化学反应速率的因素
一、内因:反应物的组成、结构、性质等
二、外因:浓度、温度、压强、催化剂等
三、设计实验、形成结论
根据课本P26实验探究Ⅰ,设计实验分别探究不同因素对化学反应速率的影响。
教学环节一:设计实验探究浓度对化学反应速率的影响。
【提出问题】浓度如何影响化学反应速率?
【实验原理】Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+S↓+SO2↑+H2O
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究浓度对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
【思考】实验中应该注意哪些问题?
教学环节二:设计实验探究温度对化学反应速率的影响。
【提出问题】温度如何影响化学反应速率?
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究温度对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
教学环节三:设计实验探究催化剂对化学反应速率的影响。
【提出问题】催化剂如何影响化学反应速率?
【设计实验】根据实验原理和课本P26实验探究Ⅰ提供的药品,设计实验探究催化剂对化学反应速率的影响,并填写学案上的实验报告。
【学生活动】设计实验,展示实验方案并进行分组实验,记录数据填写学案。
【思考】上述实验探究中,你用到了哪些科学方法?
【学生活动】小组讨论,并回答:用了控制变量法、对照实验法、科学归纳法和转换法等。影响反应速率的因素有多个,用控制变量法逐个探究其对反应速率的影响规律;化学反应速率并不易直接观察认识,可以通过转化为观察沉淀产生速度、气泡生成快慢等来测定反应速率的大小。
(设计意图:通过学生的实验探究,一方面直观的感受浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响;另一方面让学生进一步掌握科学的研究方法,培养学生科学的学习态度和思维习惯。)
【知识小结】外界条件对反应速率的影响规律。
1.浓度——增大反应物浓度,化学反应速率增大;减小反应物浓度,化学反应速率减小。
2.温度——升高温度,化学反应速率增大;降低温度,化学反应速率减小。
3.催化剂——催化剂可以改变化学反应速率(可以增大化学反应速率,也可以减小化学反应速率)。
【思考】压强如何影响化学反应速率呢?压强对固体、液体和气体的影响是否相同?
【学生活动】分组探讨,得出结论:对于压强的改变,只有引起反应体系中反应物浓度的变化,才会对反应速率产生影响。如果参加反应的物质是固体、纯液体或溶液时,由于改变压强对它们的体积影响很小,因而它们的浓度改变也很小,可以认为压强与它们的反应速率无关。有气体参加,当其他条件不变时,增大压强如果改变了气体的浓度,化学反应速率增大,反之,减小压强,如果导致气体浓度减小,则化学反应速率减小。
4.压强:有气体参与的反应,一般而言,增大压强,化学反应速率增大;减小压强,化学反应速率减小。
【总结提升】除了改变浓度、温度、压强及选用催化剂等,还有很多改变化学反应速率的方法。例如,通过光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。总之,向反应体系中输入能量,都有可能改变化学反应速率。
1.下列有关化学反应速率的说法正确的是( )
A.用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,改用98%的浓硫酸可以增大产生氢气的速率
B.100 mL 2 mol·L-1的盐酸与锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,反应速率不变
C.NH3的催化氧化是一个放热的反应,所以,升高温度,反应的速率减小
D.在一定温度下固定容积的容器中,发生SO2的催化反应,充入He,反应速率不变
答案 D
解析 常温下,铁在浓硫酸中发生钝化现象,故用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,若改用98%的浓硫酸不会产生氢气,故A错误;100 mL 2 mol·L-1的盐酸与锌片反应,加入适量的氯化钠溶液,锌与氯化钠溶液不反应,但盐酸的浓度降低,反应速率减小,故B错误;不管吸热反应还是放热反应,升高温度,反应速率均增大,故C错误;在一定温度下,固定容积的容器中,发生SO2的催化反应,充入He,反应物的浓度不变,反应速率不变,故D正确。故选D。
2.少量的锌粉和足量稀盐酸反应,当向其中加入少量的下列物质时,能增大化学反应速率,但不影响产生H2总量的是( )
①铁粉 ②醋酸钠固体 ③石墨粉 ④硝酸钾固体 ⑤CaCO3 ⑥浓盐酸
A.②④⑥ B.①②⑤⑥ C.③⑥ D.②③④⑥
答案 C
解析 ①加入铁粉,构成原电池,反应速率增大,锌完全反应后,铁会与盐酸反应生成氢气,使产生的氢气总量增加,故不选①;②加入醋酸钠固体,会和盐酸反应生成醋酸,氢离子的浓度减小,所以反应速率减小,故不选②;③加入石墨粉,构成原电池,反应速率增大,锌完全反应后,石墨不会与盐酸反应生成氢气,不会影响产生H2总量,故选③;④加入硝酸钾固体,硝酸根离子在酸性条件下具有强氧化性,与锌反应不生成氢气,故不选④;⑤加入CaCO3会消耗盐酸,反应速率减小,故不选⑤;⑥加入浓盐酸,反应速率增大,且不影响产生H2总量,故选⑥。综上所述,③⑥符合题意,答案选C。
3.某化学小组为探究外界条件对化学反应速率的影响做了如下实验,请按要求回答下列问题:
(1)室温下,利用图1装置进行下表对比实验,探究影响H2O2分解速率的因素,所得数据如图2所示,补全表中空白。
图1 图2
实验 所用试剂
Ⅰ 1 mL H2O ① ?
Ⅱ Fe2O3 10 mL 5%H2O2溶液
Ⅲ MnO2 10 mL 5%H2O2溶液
Ⅳ 1 mL 20%NaOH溶液 9 mL 5%H2O2溶液
②实验Ⅱ、Ⅲ对比得出的结论是 。?
③实验Ⅰ、Ⅳ对比得出的结论是 。?
(2)探究影响Na2S2O3溶液与稀硫酸反应速率的因素
实验
Na2S2O3溶液 H2SO4溶液
出现
沉淀
所需
时间/s
Ⅰ 0 5 0.1 10 0.1 5 8
Ⅱ 0 5 0.1 5 0.1 x 12
Ⅲ 30 5 0.1 5 0.1 10 4
①本组实验原理的离子方程式: 。?
②实验Ⅰ、Ⅱ对比控制的变量是 。?
③实验Ⅲ的目的是 。?
(3)在25 ℃时,实验测得溶液中的反应:2HI+H2O22H2O+I2在反应物浓度不同时的反应速率数据如下表:
实验编号 1 2 3 4 5
0.100 0.200 0.300 0.100 0.100
0.100 0.100 0.100 0.200 0.300
0.007 6 0.015 3 0.022 7 0.015 2 0.022 8
由表中数据得到的结论是 。?
答案 (1)①9 mL 5%H2O2溶液 ②MnO2比Fe2O3催化H2O2的分解效率高 ③碱性环境有利于H2O2的分解,速率更快 (2)①S2+2H+S↓+SO2↑+H2O ②硫酸的浓度 ③探究温度对该反应速率的影响 (3)25 ℃下此反应的v分别与c(HI)、c(H2O2)成正比
解析 (1)①根据实验Ⅰ与Ⅱ或Ⅲ的数据对比可知,反应的总溶液体积为10 mL,所以实验Ⅰ中5%H2O2溶液的体积为10 mL-1 mL=9 mL;②根据表中实验Ⅱ与Ⅲ的数据和图2可知,相同时间内,实验Ⅲ的反应速率较快,MnO2的催化效果好,催化效率高;③实验Ⅰ、Ⅳ的目的是研究溶液的酸碱性对反应速率的影响,由图2可知,实验Ⅳ的反应速率远大于实验Ⅰ,二者反应条件不同:实验Ⅳ在碱性条件下进行,即碱性条件下H2O2的分解速率更快。(2)①Na2S2O3与稀硫酸反应生成Na2SO4、SO2、S和H2O,离子方程式为S2+2H+S↓+SO2↑+H2O;②对比实验Ⅰ、Ⅱ可知:反应温度相同,Na2S2O3的浓度相同,溶液总体积均为20 mL,仅仅是加入H2SO4溶液的体积不同,即硫酸的浓度不同,实验Ⅰ、Ⅱ对比控制的变量是硫酸的浓度;③实验Ⅱ、Ⅲ的变量是温度,所以实验Ⅲ的目的是探究温度对该反应速率的影响。(3)实验1、2、3是探究c(HI)对反应速率的影响,实验1、4、5是探究c(H2O2)对反应速率的影响,由表中数据可知,c(HI)增大一倍,总反应速率约增大一倍,c(H2O2)增大一倍,总反应速率约增大一倍,即总反应速率与c(H2O2)、c(HI)是线性正比例关系,即25 ℃下此反应的v分别与c(HI)、c(H2O2)成正比。
通过今天这节课的学习,我们知道了反应速率首先是由反应物的组成、结构和性质等因素决定的。浓度、压强、温度及催化剂等因素对反应速率的影响也很大,实验中可以通过定性观察的方法来比较化学反应速率的大小。我们学会了用控制变量法设计实验方案,并建立方法模型且运用模型,体会控制变量法在实验设计中的应用,希望同学们巩固本节课知识和方法,在真实情境中学会分析解决相关问题,学以致用,体会化学对生产生活和工业生产的重要性。
完成课本相应练习题。
本节课的主要形式是通过分组实验的方式,让学生通过探究了解影响化学反应速率的因素,并初步运用这些影响因素了解如何调控化学反应速率。这样的探究能充分培养学生的团队合作精神和观察描述交流的能力。且学生的课堂参与度高,积极性好,课堂效率高。
对于浓度、温度和催化剂的探究,教学中通过为学生的探究提供开放式的学习环境,让学生大胆假设,然后通过实验进行验证,最终得出正确结论,学生能充分理解三者对化学反应速率的影响,并建立分析化学反应速率影响因素的思维模型,进而推导出压强对反应速率的影响。通过建立模型、使用模型的过程,学生对“证据推理与模型认知”有了更深入的理解。
在本节课的最后,还可以设置问题,为下节课留下伏笔:为什么这些因素会影响化学反应速率呢?如何从微观角度进行进一步的解释呢?这样,激发起学生的求知欲,对于增强学生对化学学习的兴趣,有很大的帮助。
1.日常生活中的下列做法不是为了增大化学反应速率的是( )
A.清洗水壶垢用较浓白醋 B.将煤块粉碎后燃烧
C.发馒头加酵母粉 D.月饼盒内放置还原性铁粉
答案 D
解析 白醋的浓度越大,与水垢反应的速率越快,故A不符合题意;粉碎煤块可以增大与氧气的接触面积,从而增大反应速率,故B不符合题意;酵母粉属于生物催化剂,可增大反应速率,故C不符合题意;加铁粉作还原剂,吸收氧气可防止食物的氧化变质,故D符合题意;故选D。
2.根据下列实验事实所推出的影响化学反应的因素不合理的是( )
选项 实验事实 影响化学反
应的因素
A 铁丝在空气中很难燃烧,而在氧气中能剧烈燃烧 反应物的种类
B 碳在常温下不与氧气发生反应,而在点燃时能与氧气反应 反应温度
C 双氧水分解缓慢,而在加入二氧化锰后迅速分解 催化剂
D Zn粉与同浓度盐酸反应的速率比Zn粒快 反应物的表面积
答案 A
解析 空气和氧气中氧气的浓度不同,氧气的浓度越大,与铁反应越剧烈,故影响因素是反应物的浓度,故A错误;常温和点燃时的温度不同,所以影响因素是反应温度,故B正确;双氧水在常温下分解缓慢,而在加入二氧化锰后迅速分解,二氧化锰增大了双氧水的分解速率,所以影响因素是催化剂,故C正确;Zn粉与同浓度的盐酸反应的速率比Zn粒快,是由于Zn粉的颗粒小,与盐酸的接触面积大,所以反应速率快,影响因素是反应物的表面积,故D正确。故答案为A。
3.为了研究碳酸钙粉末与稀盐酸反应的反应速率,某同学利用图1所示装置通过实验测定反应中生成的CO2的体积随反应时间变化的情况,绘制出图2所示的曲线。已知该反应是放热反应,下列说法正确的是( )
图1 碳酸钙与稀盐酸反应装置
图2 CO2的体积随时间的变化
A.t1~t2段反应速率大于0~t1段的主要原因是此阶段盐酸的浓度较大
B.t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段反应体系的温度降低
C.t4时刻不再产生气体,表明碳酸钙已经完全消耗
D.微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,则装置气密性良好
答案 D
解析 t1~t2段反应速率大于0~t1段的主要原因是反应放热造成此阶段反应体系温度较高,A项错误;t2~t3段反应速率小于t1~t2段的主要原因是此阶段盐酸的浓度减小,B项错误;t4时刻不再生成更多的气体,可能盐酸反应完全,碳酸钙因过量而仍有剩余,C项错误;微热锥形瓶时活塞向右移动,停止加热后活塞恢复至原位置,表明装置气密性良好,D项正确。答案选D。
4.某研究性学习小组向一定量的NaHSO3溶液(加入少量淀粉)中加入稍过量的KIO3溶液,一段时间后,溶液突然变蓝。为进一步研究有关因素对反应速率的影响,探究如下:
(1)查阅资料知:NaHSO3与过量KIO3反应分为两步进行,第一步反应的离子方程式为I+3HS3S+I-+3H+,则第二步反应的离子方程式为 ;分两步进行的反应,其反应速率主要由慢反应决定,所以NaHSO3与过量KIO3反应中,慢反应是 (填“第一步”或“第二步”)反应。?
(2)通过测定溶液变蓝所用时间来探究外界条件对该反应速率的影响,记录如下表所示:
编号 0.01 mol·L-1NaHSO3溶液的体积/mL 0.01 mol·L-1KIO3溶液的体积/mL H2O的体积/mL 反应温度/℃ 溶液变蓝所用时间t/s
① 4.0 14.0 2.0 15 t1
② 6.0 14.0 0 15 t2
③ 6.0 a b 25 t3
实验①②是探究 对反应速率的影响,表中t1 (填“>”“=”或“<”)t2;实验②③是探究温度对反应速率的影响,表中a= ,b= 。?
(3)将NaHSO3溶液与KIO3溶液在恒温条件下混合,用速率检测仪检测出起始阶段反应速率逐渐增大。该小组对其原因提出假设,认为是生成的S对反应起催化作用,故设计实验验证,试完成表中的内容。
实验步骤(不要求写出具体操作过程) 预期实验现象和结论
Ⅰ.在烧杯甲中将一定量的NaHSO3溶液与KIO3溶液混合,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(甲) Ⅱ.在烧杯乙中先加入少量 ,其他条件与甲完全相同,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(乙)? 若v(甲) (填“>”“<”或“=”,下同)v(乙),则假设不成立;?
若v(甲) v(乙),则假设成立?
答案 (1)I+5I-+6H+3I2+3H2O 第一步
(2)NaHSO3溶液的浓度 > 14.0 0
(3)Na2SO4粉末 = <
解析 (1)NaHSO4与过量KIO3反应分为两步进行,第一步反应的离子方程式为I+3HS3S+I-+3H+,则第二步反应的离子方程式为I+5I-+6H+3I2+3H2O,其反应速率主要由慢反应决定,一段时间后,溶液突然变蓝,则第一步为慢反应。(2)实验①②是探究NaHSO3溶液的浓度对反应速率的影响,浓度越大、反应速率越快,则表中t1>t2;实验②③是探究温度对反应速率的影响,表中a=14.0,b=0。(3)生成的S对反应起催化作用,可作对比实验证明,甲为参照物。
实验步骤 预期实验现象和结论
Ⅰ.在烧杯甲中将一定量NaHSO4溶液与KIO3溶液混合,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(甲) Ⅱ.在烧杯乙中先加入少量Na2SO4粉末,其他条件与甲完全相同,用速率检测仪测定起始时的反应速率v(乙) 若v(甲)=v(乙),则假设不成立;若v(甲)
序号 锌的质量/g 锌的形状 温度/℃ 完全溶解于酸的
时间/s
① 2.0 薄片 15 200
② 2.0 薄片 25 100
③ 2.0 薄片 30 t1
④ 2.0 薄片 35 50
⑤ 2.0 颗粒 25 t2
⑥ 2.0 粉末 25 t3
(1)上述实验中①②③④是探究 对化学反应速率的影响; (填序号)是探究固体表面积对化学反应速率的影响。?
(2)下列说法正确的是 。?
a.t1=75 s
b.100>t2>t3
c.单位时间内消耗锌的质量:⑤>⑥>②
d.以上都不正确
(3)②中气泡生成的速率与时间的关系大致如图。推测从O到t速率不减反增的原因可能是 。?
(4)某同学为了探究化学腐蚀与电化学腐蚀的速率,设计实验与②进行对照。操作如下:25 ℃时,另取一个烧杯,放入与实验②完全相同的锌片,先加入2 mL某浓度的 溶液,再加入与②相同的盐酸。可以观察到 。?
答案 (1)温度 ②⑤⑥ (2)d (3)反应放热使温度升高,增大了化学反应速率 (4)硫酸铜(或CuSO4) 放出气泡的速率明显比②快
解析 (1)实验中①②③④中锌的质量、形状相同,而温度不同,目的是探究温度对反应速率的影响,利用控制变量法探究固体表面积对化学反应速率的影响时需要保证其他因素一致,分析表中第②组、第⑤组、第⑥组其他条件形态,锌的形状不同,表面积不同。(2)根据表中①②④三组分析,温度每升高10 ℃,锌溶解的时间变为原来的一半,即反应速率是原来的两倍,则其他条件不变时,则温度从25 ℃升高到30 ℃,反应速率v=×v0=v0,即30 ℃时反应速率是25 ℃的倍,则锌溶解完的时间是原来的,则t1=×100=70.7 s,a错误;第②组、第⑤组、第⑥组其他条件相同,锌的形状不同,反应速率与固体表面积有关,表面积越大,反应速率越快,表面积:粉末>薄片>颗粒,则反应速率⑥>②>⑤,故反应时间:t3<100
第一节 化学反应速率
第2课时 影响化学反应速率的因素
一、内因:反应物的组成、结构、性质等
二、外因:浓度、温度、压强、催化剂等
1.浓度——浓度增大,反应速率增大;反之,反应速率减小
2.温度——温度升高,反应速率增大;反之,反应速率减小
3.催化剂——催化剂可以改变化学反应速率(可以增大化学反应速率,也可以减小化学反应速率)
4.压强:对于有气体参与的反应,增大压强,反应速率增大;反之,反应速率减小
三、设计实验、形成结论
影响化学反应速率的因素之溶剂对反应速率的影响
在均相反应中,溶液的反应远比气相反应多得多(有人粗略估计有90%以上均相反应是在溶液中进行的)。但研究溶液中反应的动力学要考虑溶剂分子所起的物理的或化学的影响,另外在溶液中有离子参加的反应常常是瞬间完成的,这也造成了观测动力学数据的困难。最简单的情况是溶剂仅引起介质作用的情况。在溶液中起反应的分子要通过扩散穿过周围的溶剂分子之后,才能彼此接触,反应后生成物分子也要穿过周围的溶剂分子通过扩散而离开。
扩散——就是对周围溶剂分子的反复挤撞,从微观角度,可以把周围溶剂分子看成是形成了一个笼,而反应分子则处于笼中。分子在笼中持续时间比气体分子互相碰撞的持续时间长10~100倍,这相当于它在笼中可以经历反复的多次碰撞。
笼效应——就是指反应分子在溶剂分子形成的笼中进行多次的碰撞(或振动)。这种连续反复碰撞则称为一次偶遇,所以溶剂分子的存在虽然限制了反应分子作远距离的移动,减少了与远距离分子的碰撞机会,但却增加了近距离分子的重复碰撞,总的碰撞频率并未降低。
据粗略估计,在水溶液中,对于一对无相互作用的分子,在一次偶遇中它们在笼中的时间为10~12 s,在这段时间内要进行100~1 000次的碰撞。然后偶尔有机会跃出这个笼子,扩散到别处,又进入另一个笼中。可见溶液中分子的碰撞与气体中分子的碰撞不同,后者的碰撞是连续进行的,而前者则是分批进行的,一次偶遇相当于一批碰撞,它包含着多次的碰撞。而就单位时间内的总碰撞次数而论,大致相同,不会有数量级上的变化。所以溶剂的存在不会使活化分子减少。A和B发生反应必须通过扩散进入同一笼中,反应物分子通过溶剂分子所构成的笼所需要的活化能一般不会超过20 kJ·mol-1,而分子碰撞进行反应的活化能一般在40~400 kJ·mol-1之间。
由于扩散作用的活化能小很多,所以扩散作用一般不会影响反应的速率。但也有不少反应的活化能很小,例如自由基的复合反应、水溶液中的离子反应等,则反应速率取决于分子的扩散速率,即与它在笼中的时间成正比。
从以上的讨论可以看出,如果溶剂分子与反应分子没有显著的作用,则一般来说碰撞理论对溶液中的反应也是适用的,并且对于同一反应无论在气相中或在溶液中进行,其概率因素和活化能都大体具有同样的数量级,因而反应速率也大体相同。但是也有一些反应,溶剂对反应有显著的影响。例如某些平行反应,常可借助溶剂的选择,使得其中一种反应的速率变得较快,使某种产品的数量增多。
溶剂对反应速率的影响是一个极其复杂的问题,一般来说,溶剂的介电常数对于有离子参加的反应有影响。因为溶剂的介电常数越大,离子间的引力越弱,所以介电常数比较大的溶剂常不利于离子间的化合反应。
溶剂的极性对反应速率的影响。如果生成物的极性比反应物的大,则其在极性溶剂中反应速率比较大;反之,如果反应物的极性比生成物的大,则其在极性溶剂中的反应速率必变小。
溶剂化的影响。作用物与生成物在溶液中都能或多或少地形成溶剂化物。这些溶剂化物若与任一种反应分子生成不稳定的中间化合物而使活化能降低,则可以使反应速率增大。如果溶剂分子与作用物生成比较稳定的化合物,则一般常能使活化能升高,从而减小反应速率。如果活化络合物溶剂化后的能量降低,则降低了活化能,就会使反应速率增大。
离子强度的影响(也称为原盐效应)。在稀溶液中如果作用物都是电解质,则反应的速率与溶液的离子强度有关。也就是说第三种电解质的存在对于反应速率有影响。
当金属与电解质溶液反应时,如果金属中含有杂质,就会形成原电池,使反应速率增大,这就是粗锌比纯锌与酸的反应速率更快的原因。
1.在相同条件下研究催化剂Ⅰ、催化剂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,催化剂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 由题图可知,无催化剂时反应可以进行,A项错误;由题图可知,加入催化剂Ⅱ,在2 min时生成物Y的浓度为2.0 mol·L-1,加入催化剂Ⅰ,在2 min时生成物Y的浓度为4.0 mol·L-1,因此催化剂Ⅰ使反应速率更大,即催化剂Ⅰ使反应活化能更低,B项错误;由题图可知,a曲线表示的是反应物浓度随时间的变化曲线,即表示X的浓度变化的曲线,2 min内,X的浓度减少2.0 mol·L-1,由X2Y可知,生成物Y的浓度应增加4.0 mol·L-1,其对应的应是使用催化剂Ⅰ的曲线,因此a曲线表示使用催化剂Ⅰ时X的浓度随时间的变化,C项错误;由题图可知,使用催化剂Ⅰ时,0~2 min内,v(Y)==2.0 mol·L-1·min-1,v(X)=v(Y)=1.0 mol·L-1·min-1,D项正确。
2.H2O2分解速率受多种因素影响。实验测得70 ℃时不同条件下H2O2浓度随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
甲 乙
丙 丁
A.图甲表明,其他条件相同时,H2O2浓度越小,其分解速率越快
B.图乙表明,其他条件相同时,溶液pH越小,H2O2分解速率越快
C.图丙表明,少量Mn2+存在时,溶液碱性越强,H2O2分解速率越快
D.图丙和图丁表明,碱性溶液中,Mn2+对H2O2分解速率的影响大
答案 D
解析 A项,从图甲看,其他条件相同时,起始时H2O2的浓度越小,对应曲线的斜率越小,则反应速率越慢,错误;B项,从图乙看,其他条件相同时,溶液中OH-的浓度越大,pH越大,对应曲线的斜率越大,则H2O2分解得越快,错误;C项,从图丙看,相同时间内,0.1 mol·L-1 NaOH条件下,H2O2分解速率最快,0 mol·L-1 NaOH的条件下,H2O2分解速率最慢,而1.0 mol·L-1 NaOH的条件下,H2O2分解速率处于二者之间,错误。
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