4：2.1.4 反应机理、变量控制与图像分析

反应机理、变量控制与图像分析第4课时第一节化学反应速率第二章化学反应速率与化学平衡[学习目标]1.利用变量控制思维设计实验。2.基于图像分析反应速率及其影响因素。3.从微观角度认识反应历程中能量变化与反应速率的关系。[重点难点]1.基于图像分析反应速率及其影响因素。2.利用变量控制思维设计实验。反应机理1.(2021·山东，14)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为：＋CH3O－能量变化如图所示。已知

为快速平衡，下列说法正确的是A.反应Ⅱ、Ⅲ为决速步B.反应结束后，溶液中存在18OH－C.反应结束后，溶液中存在CH318OHD.反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于

图示总反应的焓变√一般来说，反应的活化能越高，反应速率越慢，由图可知，反应Ⅰ和反应Ⅳ的活化能较高，因此反应的决速步为反应Ⅰ、Ⅳ，故A错误；反应Ⅰ为加成反应，而

为快速平衡，反应Ⅱ的成键和断键方式为

或

，后者能生成18OH－，因此反应结束后，溶液中存在18OH－，故B正确；反应Ⅲ的成键和断键方式为

或

，因此反应结束后溶液中不会存在CH318OH，故C错误；该总反应对应反应物的总能量高于生成物的总能量，总反应为放热反应，因此

和CH3O－的总能量与

和OH－的总能量之差等于图示总反应的焓变，故D错误。2.(2020·全国卷Ⅱ，11)据文献报道：Fe(CO)5催化某反应的一种反应机理如下图所示。下列叙述错误的是A.OH－参与了该催化循环B.该反应可产生清洁燃料H2C.该反应可消耗温室气体CO2D.该催化循环中Fe的成键数目发生变化√根据题图中信息可知，OH－参与了该催化循环过程，A正确；由题图中箭头方向可知有H2生成，所以该反应可以产生清洁燃料H2，B正确；由题图中箭头方向可知，在催化反应过程中释放出CO2，CO2是生成物，C错误；根据题图中信息可知，

转化为

和H2的过程中，铁的成键数目发生了变化，D正确。变量控制1.实验室用Zn与稀硫酸反应来制取H2，常加入少量CuSO4溶液来加快反应速率。为了研究CuSO4的量对H2生成速率的影响，某同学设计了下表中的实验方案，将表中所给的试剂按一定体积混合后，将大小相同的Zn片(过量)分别加入四个反应容器(甲、乙、丙、丁)中，收集产生的气体，并记录收集等体积气体所需的时间。实验试剂甲乙丙丁4mol·L－1稀硫酸/mL20V1V2V3饱和CuSO4溶液/mL02.5V410H2O/mLV5V680收集气体所需时间/st1t2t3t4下列说法正确的是A.t1＝t2＝t3＝t4

B.V4＝V5＝10C.V6＝7.5

D.V1<V2<V3<20实验试剂甲乙丙丁4mol·L－1稀硫酸/mL20V1V2V3饱和CuSO4溶液/mL02.5V410H2O/mLV5V680收集气体所需时间/st1t2t3t4√甲、乙、丙、丁为对比实验，目的是探究CuSO4的量对H2生成速率的影响，故甲、乙、丙、丁四个容器中c(H＋)应相同，而收集相同量的H2所用的时间不同。即开始加入4mol·L－1稀硫酸的量相同，四组溶液的总体积也相同。因此，V1＝V2＝V3＝20；根据丁中加入10mLCuSO4溶液和0mLH2O，可知四个容器中溶液的总体积均为20mL＋10mL＝30mL，则V5＝10，V6＝7.5，V4＝2。由于反应物CuSO4的量不同，故反应速率不相同，收集气体所需的时间也不相同。2.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1.00mol·L－1、2.00mol·L－1，大理石有细颗粒与粗颗粒两种规格，实验温度为298K、308K。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①298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

298粗颗粒1.003082.00298细颗粒2.00③④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，另外2个条件相同。3.目前，汽车厂商常利用催化技术将汽车尾气中的CO和NO转化成CO2和N2，反应的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。为研究如何提高该转化过程的反应速率，降低NO、CO的污染，某课题组进行了以下实验探究。[资料查阅]

①不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；②使用相同的催化剂，当催化剂质量相等时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。[实验设计]该课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验。(1)完成下列实验设计：实验编号实验目的T/℃NO初始浓度/(mol·L－1)CO初始浓度/(mol·L－1)同种催化剂的比表面积/(m2·g－1)Ⅰ为以下实验作参照2806.50×10－34.00×10－380Ⅱ①_____________________________________②____③__________④__________120Ⅲ探究温度对尾气转化速率的影响360⑤__________⑥__________80

探究催化剂比表面积对尾气转化速率的影响2806.50×10－34.00×10－36.50×10－34.00×10－3

[图像分析与结论]利用气体传感器测定了三组实验中CO浓度随时间变化的曲线，如图所示。影响反应速率的因素有浓度、压强、温度和催化剂的比表面积，而要想探究一种影响因素，必须保持其他影响因素一致；根据Ⅲ的实验目的是探究温度对尾气转化速率的影响，故Ⅲ和Ⅰ的区别是温度不同，其他因素必须保持一致，故Ⅲ中NO初始浓度为6.50×10－3

mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3mol·L－1；而通过对比Ⅱ和Ⅰ的条件可知，两者的区别是催化剂的比表面积不同，故其他影响因素均应相同，故Ⅱ中温度为280℃，NO初始浓度为6.50×10－3mol·L－1，CO初始浓度为4.00×10－3mol·L－1，而且Ⅱ探究的是催化剂比表面积对尾气转化速率的影响。(2)由曲线Ⅲ可知，0～

内，用NO表示的反应速率为_________________________。3.00×10－3mol·L－1·min－1(3)由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，汽车尾气转化速率______(填“增大”“减小”或“不变”)。增大由曲线Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，缩短了到达平衡的时间，故增大了反应速率。图像分析v－c(H＋)图像v－T(温度)图像v－t(时间)图像

说明：开始时，反应放热、温度升高，反应速率增大，后来c(H＋)逐渐减小，化学反应速率减小导学1.反应速率图像分析化学反应速率与浓度、压强、温度、催化剂等外界因素有关。(1)溶液中的反应速率图像分析(如：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑)v－p(压强)图像v－V(容积)图像v－t(时间)图像v－p、T(T1<T2)图像

提醒分析图像时特别关注图像中坐标轴、起点、终点、拐点、图像变化趋势等。2.反应速率相关量的图像分析化学反应速率与反应中单位时间内各物质的物质的量浓度变化、质量的变化符合化学方程式中化学计量关系，根据图像中相关量的变化可以间接分析反应速率。如：(1)物质的量与时间关系图像特别关注：①反应物和生成物的判断；②反应是否可逆；③依据各物质的变化量计算速率或确定化学方程式。(2)浓度与时间关系图像特别关注：①起点、终点——计算反应速率；②斜率——曲线斜率代表反应速率。导练1.如图所示为反应N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)的反应速率v(N2)变化的图像，则横轴不可能是A.反应时间 B.温度C.压强

D.N2的浓度√2.下列表格中的各种情况，可以用对应图像表示的是选项反应甲乙A外形、大小相同的金属与水反应NaKB不同浓度的H2C2O4溶液各2mL分别与4mL0.01mol·L－1的KMnO4溶液反应0.1mol·L－1的H2C2O4溶液0.2mol·L－1的H2C2O4溶液C5mL0.1mol·L－1Na2S2O3溶液与5mL0.1mol·L－1H2SO4溶液反应热水冷水D5mL4%的过氧化氢溶液分解放出O2无MnO2粉末加MnO2粉末√Na、K分别与水反应，K更活泼，反应更快，A项不正确；其他条件相同，H2C2O4溶液浓度越大反应速率越快，B项不正确；浓度相同，温度越高反应速率越快，随着反应的进行，反应物的浓度减小，反应速率减小，C项正确；使用催化剂的反应速率更快，D项不正确。3.为研究某溶液中溶质R的分解速率的影响因素，分别用三份不同初始浓度的R溶液在不同温度下进行实验，c(R)随时间变化如图。下列说法不正确的是A.25℃时，在10～30min内，R的平均分解速率

为0.030mol·L－1·min－1B.对比30℃和10℃曲线，在50min时，R的分解

百分率相等C.对比30℃和25℃曲线，在0～50min内，能说

明R的平均分解速率随温度升高而增大D.对比30℃和10℃曲线，在同一时刻，能说明R的分解速率随温度升高而增大√由图像可知，对比30℃和10℃曲线，在50min时，R的浓度均为0，说明R完全分解，所以