第一节 化学反应速率第2课时 影响化学反应速率的因素 活化能
[核心素养发展目标]
1.宏观辨识与微观探析：通过实验，从宏观上认识外界因素影响化学反应速率的规律，并能从活化分子的有效碰撞等微观的角度进行分析解释。
2.证据推理与模型认知：建立分析探究外界因素影响化学反应速率的思维模型，即“实验现象→影响规律→理论解释”，促进“证据推理”核心素养的发展。
3.科学探究：通过定性与定量研究影响化学反应速率的因素，提高学生设计探究方案、进行实验探究的能力。
知识梳理
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反应物的组成、结构和性质等因素决定的。
2．实验探究
(1)实验Ⅰ：定性探究影响化学反应速率的外界因素
实验原理
Na2S2O3＋H2SO4===Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O
2H2O22H2O＋O2↑
实验方案设计
影响因素
实验步骤
实验现象
实验结论
浓度
均出现浑浊，但后者出现浑浊更快
增大浓度，化学反应速率增大
温度
混合后均出现浑浊，但70
℃热水一组首先出现浑浊
升高温度，化学反应速率增大
催化剂
前者无明显现象，后者出现大量气泡
催化剂能加快化学反应速率
(2)实验Ⅱ：反应速率的定量测定和比较
实验步骤 ①取一套装置(如图所示)，加入40
mL
1
mol·L－1的硫酸和锌粒，测量收集10
mL
H2所需的时间。
②取另一套装置，加入40
mL
4
mol·L－1的硫酸和锌粒，测量收集10
mL
H2所需的时间。
实验现象 锌与稀硫酸反应产生气泡(写现象)，收集10
mL气体，②所用时间比①所用时间短。
实验结果
加入试剂
反应时间
(填“长”或“短”)
反应速率
(填“快”或“慢”)
40
mL
1
mol·L－1硫酸
长
慢
40
mL
4
mol·L－1硫酸
短
快
实验结论 4
mol·L－1硫酸与锌反应比1
mol·L－1硫酸与锌反应的速率快。
注意事项 ①锌的颗粒(即表面积)大小基本相同；②40
mL的稀硫酸要迅速加入；③装置气密性良好，且计时要迅速准确；④气体收集可以用排水量气装置(如图所示)代替。
实验讨论 除本实验测定反应速率的方法外，可行的方案还有(至少填两种)：
①测定一定时间内产生的H2的体积；
②测定一段时间内H＋的浓度变化；
③测定一段时间内锌粒的质量变化。
3．外因
(1)在一般情况下，当其他条件相同时，增大反应物浓度，化学反应速率增大；降低反应物浓度，化学反应速率减小。升高温度，化学反应速率增大；降低温度，化学反应速率减小。催化剂可以改变化学反应速率。
(2)大量实验证明，温度每升高10_℃，化学反应速率通常增大为原来的2～4倍。这表明温度对反应速率的影响非常显著。
(3)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，浓度增大。
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(减小容器容积)，反应速率增大；减小压强(增大容器容积)，反应速率减小。
(4)其他影响化学反应速率的因素：如光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。总之，向反应体系输入能量，都有可能改变化学反应速率。
(1)增加固体反应物的质量，化学反应速率增大( )
(2)任何反应，增大压强，反应速率一定增大( )
(3)恒温恒容密闭容器中发生全为气体的反应，若容器总压强增大，则反应速率一定增大( )
(4)升高温度，吸热反应速率会加快而放热反应速率会减慢( )
(5)某反应温度每升高10
℃，速率变为原来的2倍，若温度升高30
℃，则速率变为原来的6倍( )
(6)锌与H2SO4反应，H2SO4的浓度越大，产生H2的速率越快( )
(7)100
mL
2
mol·L－1的盐酸与锌片反应，加入适量的NaCl溶液，反应速率不变( )
(8)催化剂在反应过程中会参与反应，但反应前后自身的质量与化学性质不变( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)√
1．相同温度条件下，将下列4种不同浓度的NaHCO3溶液，分别加入到4个盛有20
mL
0.06
mol·L－1盐酸的烧杯中，并加水稀释至50
mL，NaHCO3溶液与盐酸反应产生CO2的速率由大到小的的顺序是__________________________________________。
①20
mL,0.03
mol·L－1
②20
mL,0.02
mol·L－1
③10
mL,0.04
mol·L－1
④10
mL,0.02
mol·L－1
答案 ①>②＝③>④
解析 混合后氢离子浓度相同，四种溶液中c(HCO)的大小决定产生CO2速率的大小。混合后HCO的浓度分别为①0.012
mol·L－1、②0.008
mol·L－1、③0.008
mol·L－1、④0.004
mol·L－1。
2．对于反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
(1)恒温恒容条件下，向反应体系中充入氮气，反应速率________(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，原因是___________________________________________________。
(2)恒温恒容条件下，向反应体系中充入氦气，反应速率________，原因是________________。
(3)恒温恒压条件下，向反应体系中充入氦气，反应速率________，原因是________________。
答案 (1)增大 增大反应物的浓度，化学反应速率增大
(2)不变 恒容条件下，充入氦气，反应物和生成物的浓度不变，化学反应速率不变
(3)减小 压强不变，充入氦气，容积增大，氮气、氢气的浓度减小，化学反应速率减小
3．某探究小组用HNO3与大理石反应过程中质量减小的方法，研究影响反应速率的因素，所用HNO3的浓度分别为1.00
mol·L－1、2.00
mol·L－1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298
K、308
K。
请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：
实验编号
T/K
大理石规格
硝酸浓度
/mol·L－1
实验目的
①
298
粗颗粒
2.00
(Ⅰ)实验①和②探究HNO3浓度对该反应速率的影响
(Ⅱ)实验①和____探究温度对该反应速率的影响
(Ⅲ)实验①和____探究大理石规格(粗、细)对该反应速率的影响
②
③
粗颗粒
④
答案 ②298 粗颗粒 1.00 ③308 2.00 ④298 细颗粒 2.00 (Ⅱ)③ (Ⅲ)④
解析 考查影响反应速率的因素的实验设计。实验①和②探究HNO3浓度对反应速率的影响，故大理石规格和反应温度应相同，而HNO3浓度不同；同理，①和③应选择不同的温度，①和④应选择不同的大理石规格，而另外2个条件相同。
1浓度对化学反应速率的影响
①对于固体或纯液体，其浓度可视为常数，其质量改变时不影响化学反应速率。增大其接触面积，才能加快反应速率。
②对于离子反应，只有实际参加反应的各离子浓度发生变化，才会引起化学反应速率的改变。
2压强是否影响化学反应速率，取决于是否影响反应物的浓度。
①恒容下充入稀有气体，气体压强增大，但反应物浓度不变，故反应速率不变。
②恒压下充入稀有气体，气体压强不变，但体积增大，反应物浓度减小，反应速率减小。
3注意“量多变一”的控制变量思想在探究速率影响因素实验中的应用。
二、活化能
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基元反应。如2HI===H2＋I2的2个基元反应为2HI―→H2＋2I·、2I·―→I2。
(2)反应机理：先后进行的基元反应反映了化学反应的反应历程，反应历程又称反应机理。
(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碰撞，但是并不是每一次分子碰撞都能发生化学反应。
(4)有效碰撞
(5)活化能和活化分子
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
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之差，叫做反应的活化能。
(6)反应物、生成物的能量与活化能的关系图
2．基元反应发生经历的过程
3．有效碰撞理论对影响化学反应速率因素的解释
(1)浓度：反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大；反之，反应速率减小。
(2)压强：增大压强→气体体积缩小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大；反之，反应速率减小。
即压强对化学反应速率的影响，可转化成浓度对化学反应速率的影响。
(3)温度：微观解释：升高温度→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大；反之，反应速率减小。
(4)催化剂：使用催化剂→改变了反应的历程(如下图)，反应的活化能降低→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞的几率增加→反应速率加快。
(1)活化分子间的碰撞一定是有效碰撞( )
(2)活化能大的反应一定是吸热反应( )
(3)发生有效碰撞的分子一定是活化分子( )
(4)有效碰撞次数多，反应速率快( )
(5)增大反应物浓度，虽然活化分子百分比未变，但单位体积内分子总数增加，使单位体积内活化分子总数增加，化学反应速率加快( )
(6)升高温度，会使分子的平均能量升高，活化分子所占百分数增大，从而使反应速率加快( )
(7)催化剂可以降低反应的活化能，也可以改变反应的ΔH( )
(8)活化分子总数多的反应速率快( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)×
1．已知反应：2NO(g)＋Br2(g)2NOBr(g) ΔH＝－a
kJ·mol－1(a＞0)，其反应机理如下
①NO(g)＋Br2(g)NOBr2(g) 快
②NO(g)＋NOBr2(g)2NOBr(g) 慢
下列有关该反应的说法正确的是( )
A．该反应的速率主要取决于①的快慢
B．NOBr2是该反应的催化剂
C．正反应的活化能比逆反应的活化能小a
kJ·mol－1
D．增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数，加快反应速率
答案 C
解析 反应速率主要取决于慢的一步，所以该反应的速率主要取决于②的快慢，故A错误；NOBr2是反应过程中的中间产物，不是该反应的催化剂，故B错误；由于该反应为放热反应，说明反应物的总能量高于生成物的总能量，所以正反应的活化能比逆反应的活化能小a
kJ·mol－1，故C正确；增大Br2(g)浓度，活化分子百分数不变，但单位体积内的活化分子数目增多了，所以能加快反应速率，故D错误。
2．设C＋CO22CO(吸热反应)的反应速率为v1，N2＋3H22NH3(放热反应)的反应速率为v2，若对以上两个反应均升高温度，v1、v2会________(填“减小”“增大”或“不变”)，从有效碰撞理论角度分析原因：________。
答案 增大 无论是放热反应还是吸热反应，升高温度，分子的平均能量均增加，活化分子百分比增加，单位体积内活化分子数增加，单位时间内有效碰撞次数增加，反应速率增大
3．在有气体参与的反应中，①增大反应物浓度、②升高温度、③增大压强(压缩体积)、④加入催化剂，若以上四种方法均可使反应速率增大，完成下列问题(填序号)：
(1)降低反应活化能的是________。
(2)增加活化分子百分比的是________。
(3)未改变活化分子百分比，增加单位体积内分子总数的是________。
(4)增加单位体积内活化分子数的是________。
答案 (1)④ (2)②④ (3)①③ (4)①②③④
归纳总结：活化分子、有效碰撞与反应速率的关系
课堂检测
1．下列有关化学反应速率的说法正确的是( )
A．C与CO2反应生成CO时，增加C的量能使反应速率增大
B．等质量的锌粉和锌片与相同体积、相同物质的量浓度的盐酸反应，反应速率相等
C．SO2的催化氧化是一个放热反应，所以升高温度，反应速率减小
D．汽车尾气中的NO和CO可以缓慢反应生成N2和CO2，使用催化剂可以增大该化学反应的速率
答案 D
2．下列说法正确的是( )
A．活化分子具有的能量是活化能
B．活化分子的总数越多，反应速率越大
C．某一反应的活化分子的百分数是个定值
D．单位时间内有效碰撞次数越多，反应速率越大
答案 D
3．用一质量为1.2
g的铝片与45
mL
4
mol·L－1稀硫酸反应制取H2，若要增大反应速率，采取的措施：①再加入20
mL
4
mol·L－1硫酸；②改用30
mL
6
mol·L－1的稀硫酸；③改用20
mL
18
mol·L－1浓硫酸；④改用1.2
g铝粉代替1.2
g铝片；⑤适当升高温度；⑥在敞口容器中反应。其中正确的是( )
A．①②③④
B．②④⑤
C．②③④⑤
D．②③④⑤⑥
答案 B
4．硫代硫酸钠溶液与稀硫酸反应的化学方程式为
Na2S2O3＋H2SO4===Na2SO4＋SO2↑＋S↓＋H2O，下列各组实验中最先出现浑浊的是( )
实验
反应温度/℃
Na2S2O3溶液
稀H2SO4
H2O
V/mL
c/mol·L－1
V/mL
c/mol·L－1
V/mL
A
25
5
0.1
10
0.1
5
B
25
5
0.2
5
0.2
10
C
35
5
0.1
10
0.1
5
D
35
5
0.2
5
0.2
10
答案 D
5．一定温度下，反应H2＋Cl2===2HCl中的某一基元反应为H2＋Cl·―→HCl＋H·，其能量变化如图所示。H…H…Cl表示反应物分子旧化学键没有完全断裂、新化学键没有完全形成的过渡态。
该基元反应的活化能为____________
kJ·mol－1，ΔH为________kJ·mol－1。
答案 21.5 ＋7.5
化剂，H2O2分解速率增大。第一节 化学反应速率第1课时 化学反应速率
[核心素养发展目标]
1.变化观念：了解化学反应速率的概念及其表示方法，形成不同的反应可用不同的方法来表示化学反应速率的变化观念。
2.证据推理：根据化学反应速率的测定原理设计实验，学会化学反应速率的测定方法，通过对比的方法，发展基于变量关系的证据推理素养。
知识梳理
一、化学反应速率及其测定
1．化学反应速率的概念及其表示方法
2．化学反应速率的测定
(1)测定原理
利用与化学反应中任何一种化学物质的浓度相关的可观测量进行测定。
(2)测定方法
①直接观察测定：如释放出气体的体积和体系的压强等。
②科学仪器测定：如反应体系颜色的变化。在溶液中，当反应物或生成物本身有较明显的颜色时，可利用颜色变化和显色物质与浓度变化间的比例关系来跟踪反应的过程和测量反应速率。
(1)化学反应方程式中，任何一种物质均可用v＝求出该物质表示的化学反应速率( )
(2)化学反应速率指的是某时刻的瞬时速率( )
(3)化学反应速率越大，化学反应的现象越明显( )
(4)同一化学反应中，不同物质表示的化学反应速率可能数值不同，但表示的意义(快慢)相同
( )
(5)化学反应速率为0.6
mol·L－1·min－1是指1
min时某物质的浓度为0.6
mol·L－1( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)×
反应：4A(s)＋3B(g)2C(g)＋D(g)
(1)完成下列表格，并计算该反应的化学反应速率
B
C
D
起始浓度
1
mol·L－1
0
0
浓度变化量
－0.6
mol·L－1
0.4
mol·L－1
0.2
mol·L－1
2
min末
0.4
mol·L－1
0.4
mol·L－1
0.2
mol·L－1
v(B)＝0.3
mol·L－1·min－1；
v(C)＝0.2
mol·L－1·min－1；
v(D)＝0.1
mol·L－1·min－1。
(2)根据以上数据，思考对于同一反应，用不同物质表示的反应速率的数值相同吗？与化学计量数之间有什么关系？
答案 用不同物质表示的反应速率的数值可能不同。反应速率的数值之比等于化学计量数之比。
(3)有同学根据(2)中结论求出了A表示的反应速率是0.4
mol·L－1·min－1，你认为是否正确，原因是什么？
答案 不正确，固体或纯液体在反应中认为浓度不变，所以不能用固体、纯液体的浓度变化来表示化学反应速率。
(4)以上所求的反应速率是2
min末时的瞬时速率吗？
答案 不是，是2
min内的平均速率。
二、化学反应速率的计算和比较
1．化学反应速率的计算
(1)公式法：
v＝＝
特别提醒 ①如果题目中给出的是物质的量，在计算速率时应先除以体积，转化为浓度的变化量。
②浓度的变化量Δc＝c(某时刻)－c(初始)
所以一般Δc(反应物)为负值，Δc(生成物)为正值，
而v是标量，只有正值，所以在计算反应速率时，
v(反应物)＝
v(生成物)＝
(2)运用同一反应中“速率之比等于化学计量数之比”的规律进行计算。
对于一个化学反应：mA＋nB===pC＋qD，v(A)＝－，v(B)＝－，v(C)＝，
v(D)＝，且有：＝＝＝。
(3)“三段式”法
①求解化学反应速率计算题的一般步骤：
a．写出有关反应的化学方程式；
b．找出各物质的起始量、转化量、某时刻量；转化量之比等于化学计量数之比；
c．根据已知条件列方程计算。
反应：
mA(g)＋nB(g)pC(g)
起始浓度/mol·L－1
a
b
c
转化浓度/mol·L－1
x
某时刻(t
s)浓度/mol·L－1
a－x
b－
c＋
再利用化学反应速率的定义式求算
v(A)＝
mol·L－1·s－1；
v(B)＝
mol·L－1·s－1；
v(C)＝
mol·L－1·s－1。
②计算中注意以下量的关系。
对反应物：c(起始)－c(转化)＝c(某时刻)；
对生成物：c(起始)＋c(转化)＝c(某时刻)；
转化率＝×100%。
2．化学反应速率的比较方法
(1)定性比较
通过明显的实验现象，如反应的剧烈程度、产生气泡或沉淀的快慢、固体消失或气体充满所需时间的长短等来定性判断化学反应的快慢。如K与水反应比Na与水反应剧烈，则反应速率：K＞Na。
(2)定量比较
①“一看”：看化学反应速率的单位是否一致，若不一致，需转化为同一单位。
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，所得数值大的速率大。
③“三比较”：标准统一后比较数值大小，数值越大，反应速率越大。
1．根据c～t图像确定化学方程式及速率
T
℃时，在0.5
L的密闭容器中，反应过程中A、B、C的浓度变化如图所示：
(1)10
s内v(B)＝
。
(2)该反应的化学方程式为
。
答案 (1)0.06
mol·L－1·s－1
(2)A＋3B2C
解析 (1)由图像知，v(B)＝＝0.06
mol·L－1·s－1。
(2)由图像计算出Δc(A)∶Δc(B)∶Δc(C)＝0.2∶0.6∶0.4＝1∶3∶2，故化学方程式为A＋3B2C。
2．反应A(g)＋3B(g)2C(g)＋2D(g)在四种不同情况下的反应速率分别为
①v(A)＝0.15
mol·L－1·min－1
②v(B)＝0.01
mol·L－1·s－1
③v(C)＝0.40
mol·L－1·min－1
④v(D)＝0.45
mol·L－1·min－1
则该反应在不同情况下进行的快慢顺序为
。
答案 ④>③＝②>①
解析 方法一：将以不同物质表示的反应速率换算为用同一物质同一单位表示的速率，再比较速率数值的大小。若以物质A为标准，根据用不同物质表示同一反应的速率时，速率之比等于各物质的化学计量数之比，将②③④的反应速率换算为用物质A表示的反应速率，则有：
②v(A)＝v(B)＝×0.01
mol·L－1·s－1×60
s·min－1＝0.20
mol·L－1·min－1
③v(A)＝v(C)＝×0.40
mol·L－1·min－1＝0.20
mol·L－1·min－1
④v(A)＝v(D)＝×0.45
mol·L－1·min－1＝0.225
mol·L－1·min－1
故反应在不同情况下进行的快慢顺序为④>③＝②>①。
方法二：首先将反应速率单位统一为mol·L－1·min－1，则②v(B)＝0.60
mol·L－1·min－1，然后根据反应速率与对应物质化学计量数之比的大小进行判断。由化学方程式A(g)＋3B(g)2C(g)＋2D(g)得出：
①＝0.15
mol·L－1·min－1
②＝0.20
mol·L－1·min－1
③＝0.20
mol·L－1·min－1
④＝0.225
mol·L－1·min－1
故反应在不同情况下进行的快慢顺序为④>③＝②>①。
归纳总结：
由n(或c)～t图像确定化学方程式的方法
(1)看趋势，定位置
观察图像，n(或c)随时间逐渐减小的物质为反应物，反之为生成物。
(2)看变化量，定系数
由图像计算各物质在相同时间内的浓度(或物质的量)的变化量，从而确定各物质的化学计量数。
(3)看是否共存，定符号
根据图像观察各物质是否最终共存(即是否有物质反应完)，从而判断该反应是否为可逆反应，确定在方程式中用“===”还是“”。
课堂检测
1．在反应N2＋3H22NH3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
2．已知4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g)，若化学反应速率分别用v(NH3)、v(O2)、v(NO)、v(H2O)(单位：mol·L－1·s－1)表示，则下列关系正确的是( )
A.v(NH3)＝v(O2)
B.v(O2)＝v(H2O)
C.v(NH3)＝v(H2O)
D.v(O2)＝v(NO)
答案 D
3．对于反应：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)，下列为四种不同情况下测得的反应速率，其中表明该反应进行最快的是( )
A．v(NH3)＝0.2
mol·L－1·s－1
B．v(O2)＝0.24
mol·L－1·s－1
C．v(H2O)＝15
mol·L－1·min－1
D．v(NO)＝9
mol·L－1·min－1
答案 A
4．对于反应3Cu＋8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，在测量化学反应速率时，以下相关性质不可以利用的是( )
A．气体的体积和体系的压强
B．溶液颜色的深浅
C．固体物质的体积
D．H＋浓度的变化
答案 C
5．将5.6
g铁粉投入100
mL
2
mol·L－1的硫酸中，2
min后铁恰好完全溶解。下列有关该反应速率的表示正确的是(忽略溶液体积的变化)( )
A．用铁表示的反应速率为0.5
mol·L－1·min－1
B．用硫酸表示的反应速率为0.5
mol·L－1·min－1
C．用硫酸亚铁表示的反应速率为0.25
mol·L－1·min－1
D．用氢气表示的反应速率为0.5
mol·L－1·min－1
答案 B
6．把0.3
mol
X气体和0.4
mol
Y气体混合于2
L密闭容器中，使它们发生如下反应：4X(g)＋5Y(g)===nZ(g)＋6W(g)，2
min末生成0.3
mol
W。若测知Z的浓度变化表示的反应速率为0.05
mol·L－1·min－1。计算：
(1)前2
min内用Y的浓度变化表示的反应速率为
mol·L－1·min－1。
(2)化学方程式中n的值是
。
(3)X的转化率为
。
答案 (1)0.062
5 (2)4 (3)66.7%
