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第二章
化学反应速率和化学平衡
第一节
化学反应速率
一、化学反应速率
有些反应可以瞬间完成,例如酸碱中和反应、炸弹爆炸
有些反应进行得很慢,例如牛奶变质、铁桥生锈等
举出几例你在生活中所遇到与化学反应快慢有关的事例。
化学反应速率
概念:化学反应速率用单位时间(如每秒,每分钟,每小时)内反应物浓度的减小量或生成物浓度的增加量来表示。
1、化学反应速率的含义:
化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的尺度。它与两个因素有关:一个是反应的时间;另一个是反应物或生成物的浓度。反应物浓度随着反应的进行而不断减小,生成物浓度随着反应的不断进行而增大。
化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢程度的一个物理量。
旧知巩固
旧知巩固
1、公式
ν=
c
t
n
=
?t
V
2、单位
mol/
L·min
和
mol/
L·s
注意:
②单位的转换关系:
1mol/(L
?
s)=60mol/(L
?
min)
mol·L-1·min-1
和
mol·L-1·s-1
(
)
(
)
①上面单位的写法均表示:
1、在某一化学反应里,反应物A的浓度在10s内从4.0mol/L变成1.0mol/L,在这10s内A的化学反应速率为
.
2、向4L容器中充入0.7molSO2和0.4molO2,4s末测得剩余SO2是0.3mol,则v(SO2)=
.
0.3mol/(L·s)
0.025mol·L-1·s-1
练习
【例题】在2L的密闭容器中,加入1molN2和3molH2,发生
N2+3H2
=?2NH3
,在2s末时,测得容器中含有0.4mol的NH3,求该反应的化学反应速率。
起始浓度(mol/L)
2s末浓度(mol/L)
变化浓度(mol/L)
三段式
0.5
1.5
0
0.2
0.2
0.3
0.1
0.4
1.2
观察并回答,分别用三种物质表示的反应速率之间有什么关系?
问题1
同一个反应,用不同的物质来表示反应速率,数值是不一样的,所以应注明是由哪种物质表示的。
同一反应中,各物质的速率之比等于他们在化学方程式中的化学计量数之比。
如在N2
+
3H2
=?2NH3
中,
v(N2):v(H2):v(NH3)=1:3:2
结论1
1、在同一反应体系中用不同的物质来表示反应速率时,其数值是可以不同的,但是这些数值都表示同一个反应速率。因此化学反应速率的表示必须用下标说明用哪种物质来做标准。
2、用同一反应体系中不同物质表示同一速率时,其数值比一定等于化学方程式中相应的化学计量数之比。(基础速率相等)
3、中学阶段的化学反应速率是平均速率,而不是指瞬时速率。
4、通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示,所以反应速率是正值。
5、浓度仅指溶液或气体的,固体、纯液体无浓度可言
(因固体、纯液体的浓度是常数不随条件的变化而变化)。
注意
1、已知反应N2
+3H2
2NH3
,根据下图判断
(1)A是______物质的量浓度变化情况
(2)C是______物质的量浓度变化情况
(3)2分钟内N2的平均速率是多少?
H2
NH3
0.5mol/(L·
min
)
随堂训练
2、在4个不同的容器中,在不同的条件下进行合成氨反应,根据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)=
0.1
mol/L·min
B.V(N2)=
0.2
mol/L·min
C.V(NH3)=
0.15
mol/L·min
D.V(H2)=
0.3
mol/L·min
B
二、活化能
一、有效碰撞理论
分子不接触
分子有接触
分子无规则高速运动
彼此碰撞(每秒约1028次)
思考:分子间的每次碰撞都是能发生化学反应的碰撞吗?
混合
有效碰撞
无效碰撞
思考:那么有效碰撞应该满足哪些条件呢?
旧化学键就是被分子“有效碰撞”给撞断裂的。
条件一:
分子必须具有足够的能量
分子能量不够,碰撞无效
分子能量足够,碰撞有效
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
活化分子
:具有足够的能量,能够发生有效碰撞的分子。
普通分子
活
化
能
思考:活化分子每次碰撞都是有效碰撞吗?
高速碰撞:
条件二:
比如:NO2
+
CO===NO+CO2
这个反应其实就是氧原子转移
活化分子碰撞时必须具有合适的取向
基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞
但并不是反应物分子但每一次碰撞都会发生反应
有效碰撞:
我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞
(1)碰撞时的能量不足
(2)碰撞时的取向不合适
(3)有效碰撞
活化分子:
具有足够的能量,可能发生有效碰撞的分子
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
能够发生化学反应的碰撞
普通分子
无效碰撞
能量低
活化分子
有效碰撞
取向不合适
获得
能量
取向合适
三、影响化学反应速率的因素
1.化学反应速率的决定因素是
复习
内因
外因
2.化学反应速率的影响因素之——
(1)温度:体系温度越高,速率越大
(2)浓度:反应物浓度越大,速率越大
(3)催化剂:能大大改变速率
(4)固体表面积:块装固体反应速率小于粉末状固体反应速率。
(5)溶剂的性质、光、超声波、磁场等
(6)压强:有气体参与的反应压强越大,速率越大
反应物本身的性质
活化能的大小
单位体积内活化分子的多少
单位时间内有效碰撞次数的多少
化学反应速率的快慢
决定
决定
决定
决定
内因
外因
碰撞理论与影响化学反应速率快慢的因素
结合碰撞理论,探讨外因的改变影响化学反应速率的原因:
1、温度
Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
+2
结论:
热水的一组先出现浑浊
升高温度
单位体积内分子总数不变,活化分子数↑
活化分子百分数↑
单位时间内有效碰撞次数↑
v↑
①无论吸热反应、还是放热反应,升高温度,速率都加快;
②若是可逆反应,升高温度,正、逆反应速率都加快
特别提醒
练习2:
设2NO+2CO?2CO2+N2(△H>0)反应速率为v1;N2+3H2?2NH3(△H<0)反应速率为v2,对于前述两反应,当温度升高时,v1和v2变化情况为(
)
A、同时增大
B、
同时减小
C、
v1减小,v2增大
D、
v1增大,v2减小
A
练习1:升高温度能加快反应速率的主要原因是(
)
A.活化分子能量明显增加
B.降低活化分子的能量
C.增加活化分子百分数
D.降低反应所需的能量
C
2、浓度
2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4
==
K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O
+3
结论:
H2C2O4浓度较大的一组先褪色
浓度增大
单位体积内分子总数↑,
活化分子数↑
活化分子百分数不变
单位时间内有效碰撞次数↑
v↑
思考:其他条件不变时,反应物浓度增大,①分子总数如何变化?②活化分子数如何变化?③活化分子百分数如何变化?④单位体积内活化分子百分数为什么不增大?
答:①变大;②变大;③不变;④一定温度下活化分子占分子总数的百分比是固定的。
练习3:下列有关化学反应速率的说法中,正确的是(
)
A.100mL
2mol·L-1的盐酸与锌反应时,加入100ml
2mol·L-1氯化钠溶液,生成氢气的反应速率不变
B.100mL
1mol·L-1稀硫酸与锌反应时,加入100ml
10mol·L-1盐酸,生成氢气的反应速率变大
C.用铁片和稀硫酸反应制取氢气时,硫酸浓度越高,产生氢气的速率越快
D.在碳酸钙和盐酸反应中,增加碳酸钙的量可加快反应速率
B
注意事项:
①固体或纯液体的浓度为常数,改变其物质的量,对反应速率无影响;
②增大固体的表面积或将固体溶于一定溶剂,反应速率加快;
③若物质的浓度变化改变了其性质,则反应实质发生改变。
④随着化学反应的进行,反应物的浓度会逐渐减小,因此一般反应速率(瞬时速率和平均速率都)会逐渐减小。
练习5:一定条件下,在CaCO3(块状)+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
反应中,为了加快反应的速率,下列哪些方法可行(
)
A、增加CaCO3(块状)
的量
B、加水
C、增加同浓度盐酸的量
D、改加CaCO3粉末
D
练习6:若将物质的量相等的HI气体分别放在等容积的两个针筒中,一个保持体积不变,另一个压缩为原来的1/2。其它条件不变,哪种情况下HI的分解反应速率谁快?
根据c=n/V,压缩体积,浓度变大,所以后面一个反应速率快?
3、催化剂
结论:催化剂能加快反应速率
催化剂可以改变反应历程,降低反应的活化能,但不能改变反应的热效应。
加催化剂
单位体积内分子总数不变,活化分子数↑
活化分子百分数↑
单位时间内有效碰撞次数↑
v↑
能量
活化能E1
加入催化剂
能量
活化能E2
E2<E1,当活化能的“门槛”降低了以后,活化分子百分数会增加,所以加入催化剂能加快反应速率
30%
50%
思考1:为什么加入催化剂降低活化能就能提高活化分子百分数?
H2O2+MnO2+2H+=Mn2++O2↑+2H2O
………
①
Mn2++H2O2=MnO2+2H+
……………………
②
思考2:加入催化剂改变反应路径是怎么回事?为什么加入催化剂能降低活化能?
2H2O2
======
O2↑+2H2O
……………………
③
MnO2
=②+①
简化后
2H2O2
======
O2↑+2H2O
催化剂作用:可以降低化学反应所需的活化能,也就等于提高了活化分子的百分数,从而提高了有效碰撞的频率,反应速率大幅提高。
能量
反应过程
生成物
反应物
反应热
E1
E2
活化分子
加了催化剂
没加催化剂
注意事项:
①催化剂不改变反应热,即△H不变;
②催化剂具有一定的选择性,只能催化可发生的反应;
③催化剂可同等程度的改变正、逆反应速率;
④催化剂中毒:催化剂的活性因接触少量的杂质明显下降甚至遭到破坏,催化作用减弱。(催化剂中毒会严重影响反应的顺利进行。工业上为了防止催化剂中毒,要把原料进行净化除去能让催化剂中毒的杂质。)
练习7:某反应过程能量变化如下图,下列说法不正确的是(
)
A.反应过程b有催化剂参与。B.该反应的焓变△H<0。C.改变催化剂,会改变该反应的活化能。D.图中有催化剂条件下,反应的活化能等于E1+E2
。
D
4、压强
请尝试根据反应物浓度对化学反应速率的影响推测压强对化学反应速率的影响情况。
不参加反应的气体分子
同温、同物质的量时
(同T、n)有:
同温、同体积时
(同T、V)有:
不参加反应的气体分子
4、压强
请尝试根据反应物浓度对化学反应速率的影响推测压强对化学反应速率的影响情况。
不参加反应的气体分子
压强增大
体积缩小
反应物浓度增大
反应速率加快
①
②
③
压强增大
体积不变、增加不参加反应的物质的量
反应物浓度不变
反应速率不变
①
②
③
4、压强
请尝试根据反应物浓度对化学反应速率的影响推测压强对化学反应速率的影响情况。
不参加反应的气体分子
结论:增大压强(减小容器容积),相当于增大反应物浓度,反应速率加快。
注意:①压强对于反应速率的影响是通过对浓度的影响来实现;
②由于压强对固体、液体的体积几乎无影响,因此,压强只对于有气体参加的反应的速率有影响。
有气体参加的反应(不要求全是气体)
a、讨论范围
b、讨论方法
压强问题
浓度问题
c、开始讨论
①、恒温,体积可变条件下,缩小体积
加压
普通分子
活化分子
反应物物质的量不变
v↑
浓度c↑
体积减小
压强增大
我们平常所说的加压就是这种方式
②、恒温,体积可变(恒温恒压)条件下,充入惰性气体
充入惰气
恒温恒压冲惰气
体积变大
浓度c变↓
反应速率v变↓
反应物物质的量不变
惰性气体
普通分子
活化分子
③、恒温,体积不变(恒温恒容)条件下,充入反应气体
充入反应气
恒温恒容冲反应气
体积不变
浓度c变↑
反应速率v↑
反应物物质的量变大
普通分子
活化分子
④、恒温,体积不变(恒温恒容)条件下,充入惰性气体
充入惰气
恒温恒容冲入惰气
体积不变
浓度c不变
反应物物质的量不变
反应速率v不变
惰性气体
普通分子
活化分子
增大压强
单位体积内分子总数↑,
活化分子数↑
活化分子百分数不变
单位时间内有效碰撞次数↑
v↑
加压
化学反应速率主要取决于:
单位时间内有效碰撞的次数。
练习8:在一密闭容器中充入1molH2和1molI2,发生反应:H2(g)+I2(g)
?2HI(g),判断下列各条件的改变对反应速率的影响(填“变大”、“变小”或“不变”)?
(1)减小体系压强(增大体积)
…………………………
(
)
(2)保持体系容积不变,充入1molH2(g)
………………
(
)
(3)保持体系容积不变,充入1molHe(g)
………………
(
)
(4)保持体系压强不变,充入1molHe(g)
………………
(
)
(5)保持体系压强不变,充入1molH2(g)和1molI2(g)……
(
)
变小
变大
不变
变小
不变
练习9:对于反应N2+3H2
?
2NH3,不同条件下,压强对化学反应速率的影响(填“增大”、“减小”、“不变”、“加快”或“减慢”)
(1)恒温恒容密闭容器
①充入N2,压强
,c(N2)
,化学反应速率
。
②充入He,压强
,但c(N2)、c(H2)、c(NH3)都
,化学反应速率
。
(2)恒温恒压密闭容器
充入He,体积
,c(N2)、c(H2)、c(NH3)都
,化学反应速率
。
增大
增大
加快
增大
不变
不变
增大
减小
减慢
压强对于反应速率的影响是通过对浓度的影响来实现
练习10:反应C(s)+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(
)
A.增加C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使容器体积变大
E.保持压强不变,充入CO使容器体积变大
AC
①增大固体表面积;②金属与酸反应生成H2时,构成原电池;③光照、电磁波、超声波、放射性辐射、高速研磨等向反应体系输入能量,都有可能改变反应速率
各条件对速率的影响大小是:
催化剂
>>温度>浓度=压强(体积变化引起的)。
各种影响都有其局限性,要针对具体反应具体分析。
5、其它因素
影响
外因
单位体积内
活化分子百分数
有效碰撞
次数
化学反应速率
分子总数
活化分子数
升高温度
增大反应物浓度
使用催化剂
增大压强(缩小体积)
总结对比:
增加
增加
不变
加快
不变
增加
增加
加快
增加
增加
增加
增加
不变
加快
不变
增加
增加
加快
增加
增加
增大反应物的浓度:
单位体积内分子总数
活化分子百分数
单位体积内活化分子总数
单位体积内有效碰撞次数增加
增多
增大压强(压缩体积):
增加
不变
2.简单碰撞理论解释化学反应速率的影响因素
反应速率加快
活化分子百分数
=
×100%
活化分子数
反应物分子总数
单位体积内分子总数
活化分子百分数
单位体积内活化分子总数增加
单位体积内有效碰撞次数增加
不变
增大
加催化剂:
升高温度:
反应速率加快
①增大反应
物的浓度
单位体积内分子总数
活化分子百分数
单位体积内活化分子总数
单位体积内有效碰撞次数增加
增多
不变
②增大压强
③升高温度
单位体积内分子总数
活化分子百分数
不变
增大
增加
④加催化剂
反应速率加快
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