【志鸿优化设计】高考化学一轮复习 第七章 化学反应的方向、限度与速率第二节化学反应的速率工业合成氨教学案 鲁科版.doc

第二节化学反应的速率工业合成氨考纲点击1了解化学反应速率的概念、反应速率的定量表示方法。2了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。3理解外界条件对化学反应速率的影响，认识其一般规律。4了解化学反应速率的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。一、化学反应速率1概念化学反应速率是衡量_的物理量，通常用单位时间内_或_来表示。2数学表达式及单位v，单位为 moll1min1或 moll1s1或 moll1h1。3规律同一反应在同一时间内，用不同物质来表示的反应速率可能_，但反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的_之比。4对反应速率的理解(1)化学反应速率均为_值；(2)化学反应速率通常是指某种物质在某一段时间内化学反应的_速率，而不是指某一时刻的瞬时速率；(3)v(a)不能表示_或_的化学反应速率。特别提示：(1)固体或纯液体的浓度视为定值，因此不用固体或纯液体表示反应速率。(2)计算反应速率时，若给出的是物质的量的变化值，不要忘记转化为物质的量浓度的变化值。(3)化学反应速率大小的比较由于同一化学反应速率用不同物质表示时数值可能不同，所以比较反应的快慢不能只看数值的大小，而要进行一定的转化。看单位是否统一，若不统一，换算成相同的单位。换算成同一物质表示的速率，再比较数值的大小。比较化学反应速率与化学计量数的比值，即对于一般反应aabb=ccdd，比较与，若，则a表示的反应速率比b大。即时训练1下列关于化学反应速率的说法正确的是()。a对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显b化学反应速率是指一定时间内任何一种反应物浓度的减小或任何一种生成物浓度的增加c化学反应速率为0.8 moll1s1是指1 s时某物质的浓度为0.8 moll1d根据化学反应速率的大小可以知道化学反应进行的快慢即时训练2如图表示800 时a、b、c三种气体物质的浓度随时间变化的情况，t是反应充分时的时间。试回答：(1)该反应的反应物是_。(2)a、b表示的反应速率分别为_、_。(3)该反应的化学方程式为_。二、影响化学反应速率的因素1内因(主要因素)反应物本身的_。2外因(其他条件不变，只改变一个条件)(1)对于气体反应体系，压强改变反应速率的几种情况：恒温时：增大压强体积缩小浓度增大反应速率加快。恒温恒容时：a充入气体反应物浓度增大速率加快b充入“惰性气体”总压强增大，但各气体分压不变，即各物质的浓度不变(活化分子浓度不变)，反应速率不变恒温恒压时：充入“惰性气体”体积增大各反应物浓度减小(活化分子浓度减小)反应速率减慢(2)加入催化剂：由于降低了反应的活化能，增加了活化分子百分数，故成千上万倍地加快反应速率，且对可逆反应v(正)、v(逆)增大的倍数相等，但它不会使不能发生的化学反应变得自发，也不会改变化学反应的反应热和平衡状态。3从活化分子角度的理论解释(1)有效碰撞、活化分子和活化能有效碰撞：能发生反应的分子之间的碰撞。活化分子：能够发生_的分子。活化能：如图e1表示_；e2表示活化分子变成生成物分子放出的能量；e2e1表示_。(2)理论解释(有气体参加的化学反应)即时训练3下列判断是否正确？(填“”或“”)(1)0.1 moll1的盐酸和0.1 moll1的醋酸分别与2 moll1的naoh溶液反应的速率相同()(2)0.1 moll1的盐酸和0.1 moll1的hno3分别与大小相同的大理石反应的速率相同()(3)mg和fe与0.1 moll1的盐酸反应速率相同()(4)大理石块与大理石粉分别与0.1 moll1的盐酸反应的速率相同()(5)升高温度，可以增加活化分子百分数，使反应速率加快()(6)增大反应物浓度可以增加活化分子百分数，使反应速率加快()三、工业合成氨1反应原理n2(g)3h2(g)2nh3(g)h92.3 kjmol1，s0，(g)0。2合成氨适宜条件的选择理论分析实际条件反应速率化学平衡时nh3的含量温度压强高压高压根据反应器可使用的钢材质量及综合指标选择(低压1107 pa或中压21073107 pa或高压8.51071108 pa)催化剂使用催化剂_另外适当_原料气中氮氢比(一般采用12.8)，将产物氨适时_，并将未反应的_通入合成塔循环反应。3合成氨生产流程和主要设备4合成氨原料气的来源(1)氮气：来源于_。(2)氢气：来源于燃料(如焦炭、天然气、其他烃类)和水蒸气。以天然气为原料，反应可简单表示为ch4h2o=co3h2、coh2o=co2h2。即时训练4(双选)在一定条件下，可逆反应n23h22nh3h0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是()。a加催化剂，v(正)、v(逆)都发生变化，且变化的倍数相等b加压，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数c降温，v(正)、v(逆)都减小，且v(正)减小的倍数大于v(逆)减小的倍数d加入氩气，v(正)、v(逆)都增大，且v(正)增大的倍数大于v(逆)增大的倍数即时训练5工业合成氨的正反应是放热反应，下列关于n2(g)3h2(g)2nh3(g)反应的图像中，错误的是()。一、化学反应速率的计算与比较对一具体反应来说，反应物的初始浓度与化学方程式中分子式前的化学计量数并不一定成比例，但变化量(即反应物的减少量和生成物的增加量)一定与化学计量数成比例。因此用不同物质的浓度变化表示反应速率时，通常有下列方法：1利用基本公式2利用速率之比化学计量数之比各物质浓度的变化量(c)之比各物质物质的量的变化量(n)之比。3化学反应速率的计算求解化学反应速率的计算题一般按以下步骤：(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式计算。例如：反应 manbpc起始浓度(moll1) a b c转化浓度(moll1) x 某时刻浓度(moll1) ax b c4根据物质的量浓度时间图像进行计算例如：某温度时，在定容(v l)容器中，x、y、z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。根据上述图像可进行如下计算：(1)某物质的平均速率、转化率，如：v(x)=mol(ls)1，y的转化率=100%。(2)确定化学方程式中的化学计量数之比如x、y、z三种物质的化学计量数比为(n1n3)(n2n3)n2。5反应速率大小(或快慢)比较方法同一反应的化学反应速率用不同物质表示时数值可能不同，比较化学反应速率的快慢不能只看数值大小，而要进行一定的转化。(1)换算成同一物质表示，再比较数值大小。(2)比较化学反应速率与化学计量数的比值。如比较与，若，则a的反应速率比b大。【例11】一定温度下，某容积为v l的密闭容器中充入a mol a和b mol b，发生反应：aa(g)bb(s)cc(g)；5 min时，测得c为x mol。下列说法中一定正确的是()。a5 min时，v(c)x/5v moll1s1b缩小容器体积平衡一定发生移动c05 min内，v(a)v(c)acd05 min内，用a表示的反应速率为xc/(300av) moll1s1【例12】(双选)对于可逆反应h2(g)i2(g)2hi(g)，在温度一定下由h2(g)和i2(g)开始反应，下列说法正确的是()。ah2(g)的消耗速率与hi(g)的生成速率之比为21b反应进行的净速率是正、逆反应速率之差c正、逆反应速率的比值是恒定的d达到平衡时，正、逆反应速率相等二、外界条件对化学反应速率的影响1温度升温，v(正)、v(逆)一般均加快，吸热反应增加的倍数大于放热反应增加的倍数；降温，v(正)、v(逆)一般均减慢，吸热反应减少的倍数大于放热反应减少的倍数。2压强压强改变，反应速率不一定发生变化。改变容器的容积(增大或减小)使压强改变，反应速率发生变化；加压对有气体参加的化学反应，v(正)和v(逆)都加快，气体体积之和大的一侧增加的倍数大于气体体积之和小的一侧增加的倍数；降低压强，v(正)和v(逆)都减慢，气体体积之和大的一侧减小的倍数大于气体体积之和小的一侧减小的倍数。在温度一定时，充入与反应无关的气体(如惰性气体)，若保持体积不变，由于反应气体浓度不变，故对反应速率无影响；若保持压强不变，则由于体积增大，使反应气体浓度减小，故反应速率减慢。3浓度增加反应物浓度，v(正)急剧增大，v(逆)逐渐增大。4催化剂加催化剂可同等程度地改变v(正)和v(逆)。【例21】某同学在三个容积相同的密闭容器中，分别研究三种不同条件下化学反应2x(g)y(g)w(g)的进行情况。其中实验、控温在t1，实验控温在t2，它们的起始浓度均是c(x)1.0 moll1，c(y)c(w)0，测得反应物x的浓度随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是()。a与实验相比，实验可能使用了催化剂b与实验相比，实验若只改变温度，则温度t1t2，该反应是吸热反应c在实验、中，达到平衡状态时x的体积分数相同d若起始浓度c(x)0.8 moll1，c(y)c(w)0，其余条件与实验相同，则平衡浓度c(x)0.4 moll1【例22】(2012福建理综)一定条件下，溶液的酸碱性对tio2光催化燃料r降解反应的影响如图所示。下列判断正确的是()。a在050 min之间，ph2和ph7时r的降解百分率相等b溶液酸性越强，r的降解速率越小cr的起始浓度越小，降解速率越大d在2025 min之间，ph10时r的平均降解速率为0.04 moll1min1三、化学反应速率与化学平衡图像分析速率时间图像定性揭示了v(正)、v(逆)随时间(含条件改变对速率的影响)而变化的规律，体现了外界条件改变对可逆反应速率的影响，以及由此引发的平衡移动。(有以下几种情况)1vt图理解外界条件对v的影响平衡体系条件变化速率变化平衡变化速率变化曲线任一平衡体系增大反应物的浓度v(正)增大，且v(正)v(逆)正向移动增大生成物的浓度v(逆)增大，且v(逆)v(正)逆向移动正反应方向为气体体积增大的放热反应增大压强或升高温度v(正)、v(逆)均增大，且v(逆)v(正)逆向移动减小压强或降低温度v(正)、v(逆)均减小，且v(正)v(逆)正向移动任意平衡或反应前后气体化学计量数之和相等的平衡正催化剂或增大压强v(正)、v(逆)同等倍数增大平衡不移动负催化剂或减小压强v(正)、v(逆)同等倍数减小平衡不移动特别提示：(1)浓度改变时反应速率图像的变化中，v(正)或v(逆)是连续的，无跳跃性；温度、压强改变时其图像中v(正)和v(逆)均是不连续的，有跳跃性。(2)气体反应体系充入稀有气体(或无关气体)时，对反应速率的影响：恒容：充入“稀有气体”总压强增大物质浓度不变(活化分子浓度不变)，反应速率不变。恒压：充入“稀有气体”体积增大物质浓度减小(活化分子浓度减小)反应速率减慢。2常见类型对于反应ma(g)nb(g)pc(g)qd(g)h0，mnpq。(1)vt图像(2)c(或百分含量)t图像(3)c(或百分含量)p(t)图像(4)其他图像b是加入催化剂由图可知：xy2z(5)几种特殊图像如图1，对于化学反应ma(g)nb(g)qc(g)pd(g)，m点前，表示从反应物开始，则v(正)v(逆)；m点为刚好达到平衡点。m点后为平衡受温度的影响情况，即升温，w(a)增加，平衡左移，h0。如图2，对于化学反应ma(g)nb(g)qc(g)pd(g)，l线上所有的点都是平衡点。在上方(e点)，w(a)大于此压强时平衡体系中的w(a)，所以，e点v(正)v(逆)；在下方(f点)，w(a)小于此压强时平衡体系中的w(a)，则v(正)v(逆)。特别提示：分析图像的两种技巧方法：(1)先拐先平：在含量(转化率)时间曲线中，先出现拐点的则先达到平衡，说明该曲线反应速率快，表示温度较高、有催化剂、压强较大等，如上述常见类型(2)中的p2、t1。(2)定一议二：当图像中有三个量时，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系，有时还需要作辅助线。【例31】(2012陕西师大附中高三模拟)在容积不变的密闭容器中存在如下反应：2so2(g)o2(g)2so3(g)h0，某研究小组研究了其他条件不变时，改变某一条件对上述反应的影响，下列分析正确的是()。a图研究的是t0时刻增大o2的物质的量浓度对反应速率的影响b图研究的是t0时刻通入氦气增大体系压强对反应速率的影响c图研究的是催化剂对化学平衡的影响，且甲的催化效率比乙高d图研究的是温度对化学平衡的影响，且乙的温度较高特别提示：分析化学反应速率图像题的思路与分析化学平衡图像题类似：首先要分析给出可逆反应的特征各物质状态、h正负、(g)与0比较；其次把握好“一看、二想、三判断”；第三要明确讨论变化条件时，只讨论变化一种外界条件的影响。【例32】对于可逆反应n2(g)3h2(g)2nh3(g)h0。下列研究目的和图示相符的是()。研究目的图示a温度(t)对反应的影响(t2t1)b压强(p)对平衡常数的影响c温度(t)对反应的影响d压强(p)对反应的影响(p2p1)影响反应速率因素的实验探究不同的化学反应，化学反应速率不同。化学反应速率的大小不仅由反应物本身的性质决定，还受外界环境因素的影响，可通过实验来探究影响化学反应速率的因素。【实验典例】影响化学反应速率的因素很多，某课外兴趣小组用实验的方法进行探究。实验一：甲同学利用al、fe、mg和2 moll1的稀硫酸，设计实验方案研究影响反应速率的因素。研究的实验报告如下表：实验步骤现象结论分别取等体积的2 moll1硫酸于试管中；分别投入大小、形状相同的al、fe、mg反应快慢：mgalfe反应物的性质越活泼，反应速率越快(1)该同学的实验目的是_；要得出正确的实验结论，还需控制的实验条件是_。(2)乙同学为了更精确地研究浓度对反应速率的影响，利用如图装置同温下进行定量实验。用大小形状相同的fe分别和0.5 moll1及2 moll1的足量稀硫酸反应。通过_可以说明浓度对化学反应速率的影响。实验二：已知2kmno45h2c2o43h2so4=k2so42mnso48h2o10co2，在开始一段时间内，反应速率较慢，溶液退色不明显；但不久突然退色，反应速率明显加快。(1)针对上述现象，某同学认为该反应放热，导致溶液温度上升，反应速率加快。从影响化学反应速率的因素看，你猜想还可能是_的影响。(2)若用实验证明你的猜想，除酸性高锰酸钾溶液、草酸溶液外，可以在反应一开始时加入_。a硫酸钾 b硫酸锰c氯化锰 d水1把镁条投入到盛有盐酸的敞口容器里，产生氢气的速率变化，在下列因素中，影响反应速率的因素是()。盐酸的浓度镁条的表面积溶液的温度cl的浓度a bc d2(2012重庆理综)在一个不导热的密闭反应器中，只发生两个反应：a(g)b(g)2c(g)h10x(g)3y(g)2z(g)h20进行相关操作且达到平衡后(忽略体积改变所做的功)，下列叙述错误的是()。a等压时，通入惰性气体，c的物质的量不变b等压时，通入z气体，反应器中温度升高c等容时，通入惰性气体，各反应速率不变d等容时，通入z气体，y的物质的量浓度增大3(2012四川理综)在体积恒定的密闭容器中，一定量的so2与1.100 mol o2在催化剂作用下加热到600 发生反应：2so2o22so3h0。当气体的物质的量减少0.315 mol时反应达到平衡，在相同的温度下测得气体压强为反应前的82.5%。下列有关叙述正确的是()。a当so3的生成速率与so2的消耗速率相等时反应达到平衡b降低温度，正反应速率减小程度比逆反应速率减小程度大c将平衡混合气体通入过量bacl2溶液中，得到沉淀的质量为161.980 gd达到平衡时，so2的转化率是90%4某密闭容器中充入等物质的量的a和b，一定温度下发生反应a(g)xb(g)2c(g)，达到平衡后，在不同的时间段，分别改变反应的一个条件，测得容器中物质的物质的量浓度、反应速率分别随时间的变化如图所示：下列说法中正确的是()。a3040 min间该反应使用了催化剂b反应方程式中的x1，正反应为吸热反应c30 min时降低温度，40 min时升高温度d30 min时减小压强，40 min时升高温度5某反应的h100 kj mol1，下列有关该反应的叙述正确的是()。a正反应活化能小于100 kj mol1b逆反应活化能一定小于100 kj mol1c正反应活化能不小于100 kj mol1d正反应活化能比逆反应活化能大100 kj mol16(双选)下列说法正确的是()。a一定温度下，反应mgcl2(l)=mg(l)cl2(g)的h0、s0b水解反应nhh2onh3h2oh达到平衡后，升高温度平衡逆向移动c铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应d对于反应2h2o2=2h2oo2，加入mno2或升高温度都能加快o2的生成速率72so2(g)o2(g)2so3(g)是制备硫酸的重要反应。下列叙述正确的是()。a催化剂v2o5不改变该反应的逆反应速率b增大反应体系的压强，反应速率一定增大c该反应是放热反应，降低温度将缩短反应达到平衡的时间d在t1、t2时刻，so3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔t1t2内，so3(g)生成的平均反应速率为v8反应aa(g)bb(g)cc(g)(h0)在等容条件下进行。改变其他反应条件，在、阶段体系中各物质浓度随时间变化的曲线如图所示：回答问题：(1)反应的化学方程式中：abc为_；(2)a的平均反应速率v(a)、v(a)、v(a)从大到小排列次序为_；(3)b的平衡转化率(b)、(b)、(b)中最小的是_，其值是_。参考答案基础梳理整合一、1化学反应进行快慢程度反应物浓度的减少生成物浓度的增加3不同化学计量数4(1)正(2)平均(3)纯液体固体即时训练1d即时训练2答案：(1)a(2)mol(lmin)1mol(lmin)1(3)3a(g)b(g)3c(g)二、1性质2加快减慢加快减慢加快减慢相同接触面积3(1)有效碰撞活化能h即时训练3答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)三、2高温低温700 k使用无影响铁触媒提高分离n2、h24(1)空气即时训练4cd即时训练5c核心归纳突破【例11】c解析：aa(g)bb(s)cc(g)起始 a mol b mol 05 min时 (ax)mol x moln x mol x mol故v(c) moll1min1，a错误；当ac时平衡不发生移动，故b错误；，c正确；v(a) moll1min1 moll1s1，d错误。【例12】bd解析：a选项中，速率之比等于计量数之比，应为12；b选项出现的净速率在中学没出现过，但根据平均速率的求算，为反应物的净减少量，该项正确；c项明显错误，反应过程中，正反应速率是减小的过程，而逆反应速率是增大的过程；d选项是平衡定义中来，正确。【例21】c解析：a项，实验与实验达到平衡时的浓度相同，只是实验反应速率较快，则可能使用了催化剂，正确；b项，实验达到平衡所用时间比实验短，则t2t1，平衡时实验中x的浓度较小，表明升温平衡向正反应方向移动，则正反应为吸热反应，正确；c项，实验、中达到平衡时，x的体积分数是，故不正确；d项，实验中，平衡时c(y)c(w)0.25 moll1，k平0.25，而反应温度不变，则平衡常数不变，设x转化了2a moll1，k平0.25，解得a0.2，则平衡时c(x)0.8 moll12a moll10.4 moll1，正确。【例22】a解析：从图像中可以读出ph2时，曲线下降是最快的，说明溶液的酸性越强，降解速率越大，所以b项错误。一般来说，反应物的浓度越大，反应速率越大，r的起始浓度越小，其降解的速率越小，c项错误。d项中可计算出其速率为0.04104 moll1min1，d项错误。a项中r都是完全降解，降解百分率都是100%。【例31】d解析：a项，图，t0时刻增大压强时的变化曲线，a项不正确；b项，图，t0时通入氦气，对v(正)、v(逆)无影响，对平衡无影响，b项错；c项，催化剂不能改变so2的转化率，c项错；d项，图，升温，平衡逆向移动，so2的转化率减小但到达平衡的时间缩短，d项正确。【例32】c解析：对于选项a，由于合成氨反应是放热反应，因此温度越高，nh3的产率越低，这一点图示是符合的，但考虑到温度越高，化学反应速率越快，体现在图像上即达到平衡前曲线的斜率大，a错，正确的图像如图所示，即符合“先拐先平”的原则，同理可知选项d也错。化学平衡常数与压强无关，选项b错。选项c可以这样理解，开始时，反应向右进行，n2的体积分数减小；达到平衡时，n2的体积分数最小；继续升温，化学平衡逆向移动，n2的体积分数增大。实验探究拓展实验典例答案：实验一：(1)比较反应物本身的性质对反应速率的影响温度相同(2)测定和比较同时间内产生氢气的体积(或测定比较产生同体积氢气所需时间长短)实验二：(1)mn2的催化作用(或催化剂)(2)b解析：在回答实验二的两个问题时，第(1)问的猜想，可以从比较生成物mn2(过渡金属)与k(主族金属)的区别中找到答案，即通常是过渡金属或其离子具有催化性；而(2)中氯化锰中也含mn2，却不能选为催化剂，原因就在于其中的cl易被酸性高锰酸钾溶液氧化。演练巩固提升1c解析：镁条和盐酸反应产生氢气的离子方程式为mg2h=mg2h2，此反应是镁与盐酸中的h间的置换反应，与cl的浓度无关，故不是影响该反应速率的因素。镁条的表面积越大，与盐酸接触的面积也越大，则产生氢气的速率越快。溶液的温度对该反应也有影响，温度越高，产生氢气的速率越快。随着反应的进行，h浓度不断减小，则反应速率逐渐减慢。2a解析：假定前者为反应，后者为反应。反应与反应为相关反应，一个反应平衡的移动会对另一个反应产生影响。等压时充入惰性气体，反应逆向移动，使体系温度升高，而升温使反应平衡逆向移动，n(c)减小，故a错；等压时通入z气体，c(z)增大，而容器体积增大使得c(x)、c(y)减小，二者均使平衡逆向移动，而逆反应为放热反应，故反应器中温度升高，b正确；等容时通入惰性气体，各组分浓度均保持不变，故反应速率不变，c正确；等容时通入z气体，c(z)增大，反应平衡逆向移动，n(y)增大，c(y)增大，故d正确。3d解析：so3的生成速率和so2的消耗速率都是正反应速率，两者始终相等，不能说明已达平衡，a错；由于正反应是放热的，所以降温时平衡右移，正反应速率大于逆反应速率，即正反应速率减小程度小于逆反应速率，b错；根据化学方程式知：生成的so3的物质的量是气