2.3.2浓度温度催化剂对化学反应速率的影响导学案高二上学期化学选择性必修1

第2课时浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响核心微网络素养新目标1.通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。2．能通过实验探究分析不同组分浓度改变对化学反应速率的影响，能用一定的理论模型说明反应条件改变对化学反应速率的影响。学业基础——自学·思记·尝试一、浓度对化学反应速率的影响1．一般规律：2．定量关系：(1)反应速率方程①意义：反应速率方程可定量地表示化学反应速率与参与反应的反应物浓度的关系。②实例：对于反应H2O2＋2HI=2H2O＋I2其反应速率方程为v＝kc(H2O2)·c(HI)，其表示该反应的反应速率与反应物H2O2、HI的浓度成________。(2)反应速率常数(k)含义表示________下的化学反应速率单位不同反应速率方程中k的单位不同意义通常反应速率常数k越大，反应进行得________影响因素与浓度无关，但受________、________、固体表面积等因素的影响(3)一个反应的化学反应速率与参与反应的物质的浓度的关系是由实验测定的，不能根据化学方程式直接写出。状元随笔浓度对化学反应速率的影响1．基本规律：其他条件不变时，增大反应物的浓度，反应速率加快；减小反应物的浓度，反应速率减慢。2．反应速率常数(k)：k越大，反应进行得越快。k与浓度无关，但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响。3．反应速率与参与反应的物质浓度的关系式是实验测定的结果，不能随意根据反应的化学方程式直接写出。二、压强对化学反应速率的影响1．基本规律(对于有气体参加或生成的反应)：2．解释压强的改变导致气体浓度的改变，从而对反应速率产生影响。压强增大→气体体积反之，压强减小，化学反应速率________。状元随笔速率方程等内容不作为明确的考试要求。但完全可以以信息给予的形式进行考查，近几年高考题也有所考查。三、温度对化学反应速率的影响1．基本规律：2．经验规律——范托夫规律：对于在溶液中发生的反应，温度每升高10K，反应速率提高到原来的2～4倍。3．过渡态及活化能：(1)过渡态：一种________没有完全断裂、________没有完全形成的高能量的中间状态。(2)活化能。①定义：________能量与________能量之间的差值。②符号：Ea。③单位：kJ·mol－1。(3)活化能对反应速率的影响①活化能越高，反应越难进行，反应速率越________。②升高温度，可以提高反应物分子的能量，增大反应物分子形成活化分子的比例，使反应速率加快。4．温度影响反应速率的理论解释：在其他条件不变时，升高温度，反应物分子的能量增加，使一部分原来能量较低的分子变成________→活化分子百分数________→化学反应速率________。因此，升高温度可以增大化学反应速率。状元随笔1.活化能概念过渡态的能量与反应物的能量之差，用Ea表示单位J·mol－1或kJ·mol－1意义活化能是化学反应通常需要获得能量才能实际发生的原因。活化能越高，反应越难发生与反应速率之间的关系不同基元反应的活化能(Ea)数值不同，因此化学反应速率不同。升高温度可以提高反应物分子的能量，增大反应物分子间的碰撞频率，增大反应物分子形成过渡态的比例，故升高温度可以加快反应速率2.反应物、反应产物的能量与活化能的关系如图：E1是正反应的活化能，E2是逆反应的活化能(活化分子变成反应产物分子放出的能量)。3．反应热ΔH＝E1－E2。4．反应不同，活化能不同，因此温度对不同化学反应的反应速率的影响程度不同。四、催化剂对化学反应速率的影响1．催化剂：能________化学反应速率而在反应前后本身的________不变的物质。2．催化剂的催化原理：(1)由于催化剂的质量及化学性质在反应前后不变，反应历程中必定既包括有催化剂________的反应，又包括使催化剂________的反应。(2)催化剂是通过参与反应改变________，改变反应的________来________化学反应速率。3．催化剂的特点：五、其他因素对化学反应速率的影响如光辐射、放射线辐射、超声波、电弧、强磁场、高速研磨、反应物________等，均会对化学反应速率产生影响。状元随笔有效碰撞理论1．活化分子、有效碰撞。(1)活化分子：能够发生有效碰撞的分子。(2)有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。2．活化分子、有效碰撞与反应速率的关系。【即学即练】1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)催化剂能使不能发生的化学反应发生。()(2)加入催化剂，降低反应的活化能，化学反应速率增大，但反应路径没改变。()(3)用相同质量的锌粉和锌片与同浓度的足量盐酸反应，产生氢气的量和速率都相同。()(4)对于COCl2(g)⇌CO(g)＋Cl2(g)ΔH＞0，升温能加快正反应速率，降低逆反应速率。(5)温度升高时，对放热反应和吸热反应速率的影响程度是一样的。()(6)对于有气体参加和生成的可逆反应，增大压强(体积缩小)v正、v逆均增大，但增大的倍数可能不同。()(7)压强对反应速率的影响是通过浓度的改变影响的。()2．对于反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)，能增大正反应速率的措施是()A．通入大量O2 B．增大容器容积C．移去部分SO3 D．降低体系温度3．下列说法正确的是()A．医药用品应该一直在高温下保存B．向一堆篝火中“鼓风”，有利于它继续燃烧下去C．压强越大反应速率越大D．二氧化锰在过氧化氢的分解前后质量减少4．等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测定在不同时间t产生氢气体积V的数据，绘制得到如图曲线，则曲线a、b、c、d所对应的实验组别可能是()组别c(HCl)(mol·L－1)温度(℃)状态12.025块状22.530块状32.550块状42.550粉末状A．4、3、2、1 B．1、2、3、4C.3、4、2、1 D．1、2、4、35．(双选)科学家通过密度泛函理论研究甲醇与水蒸气重整制氢反应机理时，得到甲醇在Pd(Ⅲ)表面发生解离时四个路径与相对能量关系如图所示，其中附在Pd(Ⅲ)表面的物种用*标注。下列说法正确的是()A．该历程中活化能最小的反应方程式为CH2O*＋2H*→CHO*＋3H*B．该历程中能垒(反应活化能)最大的是①C．该历程中制约反应速率的方程式为CH3O*＋3H*→CO*＋4*D．由此历程可知：CH3OH(g)⇌CO(g)＋2H2(g)ΔH＜06．一定条件下，在一体积不变的密闭容器中发生反应2A(g)＋B(g)⇌3C(g)ΔH＝akJ·mol－1。图为反应体系中反应速率随时间变化的情况，且t2、t3、t4各改变一种不同的条件。(1)t3时改变的条件为________________，t4时改变的条件为________________。(2)a________0(填“＞”或“＜”)。核心素养——合作·探究·分享目标一反应条件对化学反应速率的影响例1足量的Zn粉与50mL0.1mol·L－1的稀硫酸充分反应。为了减慢此反应的速率而不改变H2的产量，可以采用如下方法中的()①加Na2SO4溶液 ②改用50mL0.1mol·L－1的稀盐酸③减压 ④改用50mL0.1mol·L－1的硝酸⑤冰水浴 ⑥加Na2CO3溶液A．①②③④ B．①⑤C．①⑤⑥ D．②⑤⑥状元随笔控制变量法探究影响化学反应速率的外界因素在研究影响化学反应速率的因素时，由于外界影响因素较多，为搞清某个因素的影响需控制其他因素相同或不变时，再进行实验。因此，常用控制变量思想解决该类问题。常见考查形式(1)以表格的形式给出多组实验数据，找出每组数据的变化对化学反应速率的影响。(2)给出影响化学反应速率的几种因素，设计实验分析各因素对化学反应速率的影响。[提升1]某实验小组以H2O2分解为例，研究浓度、催化剂、溶液的酸碱性对反应速率的影响。在常温下按照如下方案完成实验。编号反应物催化剂①10mL2%H2O2溶液无②10mL5%H2O2溶液无③10mL5%H2O2溶液1mL0.1mol·L－1FeCl3溶液④10mL5%H2O2溶液＋少量HCl溶液1mL0.1mol·L－1FeCl3溶液⑤10mL5%H2O2溶液＋少量NaOH溶液1mL0.1mol·L－1FeCl3溶液(1)催化剂能加快化学反应速率的原因是________________________________________________________________________。(2)常温下5%H2O2溶液的pH约为6，H2O2的电离方程式为________________________________________________________________________。(3)实验①和②的目的是____________________________________________。实验时由于没有观察到明显现象而无法得出结论。资料显示，通常条件下H2O2稳定，不易分解。为了达到实验目的，你对原实验方案的改进是______________________________________。(4)实验③、④、⑤中，测得生成氧气的体积随时间变化的关系如图所示，分析图示能够得出的实验结论是___________________________________________________________________________________________________________________________________________。状元随笔解题策略(1)确定变量。首先要认真审题，理清影响实验探究结果的因素有哪些。(2)定多变一。在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。(3)数据有效。解答时注意选择数据(或设置实验)要有效，且变量统一，否则无法作出正确判断。【关键能力】外界因素对化学反应速率的影响的注意问题(1)对于固体和纯液体反应物，其浓度可视为常数，改变用量速率不变。但当固体颗粒变小时，其表面积增大将导致反应速率增大。(2)升高温度，正反应速率和逆反应速率都加快，但加快的程度不同；降低温度，正反应速率和逆反应速率都减慢，但减慢的程度不同。(3)催化剂在化学反应过程中参与了反应，降低了正、逆反应的活化能，同等程度改变正、逆反应速率，但不会改变反应的限度和反应热。工业生产中利用催化剂的选择性可以提高目标产品在最终产品中的比例。目标二化学反应速率的图像分析例2向某密闭容器中加入0.3molA、0.1molC和一定量的B三种气体，一定条件下发生反应，各物质的浓度随时间的变化如甲图所示[t0～t1阶段的c(B)变化未画出]。乙图为t1时刻后改变条件平衡体系中正、逆反应速率随时间变化的情况，且四个阶段都各改变一种反应条件(浓度、温度、压强、催化剂)且互不相同，t3～t4阶段为使用催化剂。下列说法不正确的是()A．若t1＝15s，则用C的浓度变化表示的t0～t1阶段的平均反应速率为0.004mol·L－1·s－1B．t4～t5阶段改变的条件一定为减小压强C．该容器的容积为2L，B的起始物质的量为0.02molD．t5～t6阶段，容器内A的物质的量减少了0.03mol，而此过程中吸热akJ，该反应的热化学方程式为3A(g)⇌B(g)＋2C(g)ΔH＝＋100akJ·mol－1状元随笔在速率图像与影响因素的相互推断中，要利用外界因素对化学反应速率的影响规律进行分析判断。有时还要结合化学平衡移动方向来判断。[提升2]臭氧是理想的烟气脱硝剂，其脱硝反应为2NO2(g)＋O3(g)⇌N2O5(g)＋O2(g)，反应在恒容密闭容器中进行，下列由该反应相关图像作出的判断正确的是()状元随笔分析化学反应速率图像关键抓住两点(1)看起点、终点分清反应物和反应产物，浓度减小的是反应物，浓度增大的是反应产物，表示反应产物的曲线多数是以原点为起点。(2)看变化趋势分清正反应和逆反应，分清放热反应和吸热反应，分清“突变”和“渐变”“小变”和“大变”。【关键能力】化学反应速率的图像分析(1)物质的量(或浓度)－时间图像及应用此类图像能说明各平衡体系组分(或某一成分)在反应过程中的变化情况，图像中各物质达平衡的时刻相同。如A＋B⇌AB的反应情况如图所示：根据此类图像可进行如下计算：①求某物质的平均反应速率、转化率。②找出反应物、反应产物，由浓度变化量确定化学方程式中的化学计量数之比，写出化学方程式。(2)全程速率—时间图像如Zn与足量盐酸反应，反应速率随时间的变化出现如下情况：AB段(v渐增)因反应为放热反应，随着反应的进行，温度逐渐升高，导致反应速率逐渐增大；BC段(v渐小)随着反应的进行，溶液中c(H＋)逐渐减小，导致反应速率逐渐减小。因此，分析时要抓住各阶段的主要矛盾，认真探究。(3)外界条件对反应速率的影响①以化学反应CaCO3＋2HCl=CaCl2＋CO2↑＋H2O为例。a．其他条件一定，反应速率随着c(HCl)的增大而增大，如图1。b．其他条件一定，反应速率随着温度的升高而增大，如图2。c．随着反应时间的延长，c(HCl)逐渐减小，化学反应速率逐渐减小，如图3。②以化学反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(s)为例。a．其他条件一定，增大气态反应物的压强(缩小气体容器的容积)，反应速率随着压强的增大而增大，如图4。b．其他条件一定，减小气态反应物的压强(扩大气体容器的容积)，反应速率随着压强的减小而减小，如图5。c．温度、气体容器的容积都一定，随着时间的延长，SO2、O2物质的量逐渐减小，气体的压强逐渐减小，反应速率逐渐减小，如图6。d．分别在较低温度T1和较高温度T2下反应，气态反应物的压强都是逐渐增大(缩小容器容积)，反应速率随着压强的增大而增大，反应速率随着温度的升高而增大，如图7。当堂评价——夯实·测控·演练1．实验室用Zn与稀硫酸反应来制取氢气，常加少量CuSO4来增大反应速率。为了研究CuSO4的量对H2生成速率的影响，某同学设计了实验方案(见下表)，将表中所给的试剂按一定体积混合后，分别加入四个盛有相同大小的Zn片(过量)的反应溶液(甲、乙、丙、丁)中，收集产生的气体，并记录收集相同体积的气体所需的时间。实验试剂甲乙丙丁4mol·L－1H2SO4/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＜202．已知反应2HI(g)⇌H2(g)＋I2(g)的能量变化如图所示。下列说法正确的是()A．常温下，向体积为VL的容器中充入2molHI(g)充分反应，可吸收12.5kJ的热量B．加入催化剂，分子的能量不变，但单位体积内活化分子数增多，反应速率加快C．其他条件不变，升高温度，反应速率加快，HI的分解率不变D．H2(g)＋I2(g)⇌2HI(g)的活化能为12.5kJ3．(双选)在容积不变的密闭容器中存在如下反应：2SO2(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(450℃))2SO3(g)ΔH＜0，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Ⅰ表示的是t0时刻增大O2的物质的量浓度对反应速率的影响B．图Ⅱ表示的是t0时刻加入催化剂后对反应速率的影响C．图Ⅲ表示的是催化剂对平衡的影响，且甲的催化效率比乙高D．图Ⅲ表示的是温度对化学平衡的影响，且乙的温度较高4．(双选)下列关于反应速率与参与反应物质的浓度的关系式v＝kca(A)·cb(B)的叙述中，正确的是()A．对于所有的化学反应，k是数值和单位都是不变的常数B．a、b是化学方程式中A和B的化学计量数C.对于某个特定的化学反应，k与反应物质的浓度无关D．v＝kca(A)·cb(B)需要通过实验来确定，不能随意根据化学方程式直接写出5.在一定条件下，向某一密闭容器中，加入一定量的HI或加入一定量的PCl5，反应达到平衡后，在t1时刻改变条件，其反应速率与时间的变化关系均可用如图表示。那么对于不同反应在t1时刻改变条件的叙述正确的是()A．对于2HI(g)⇌I2(g)＋H2(g)反应，t1时刻保持温度和体积不变，再加入一定量的HIB．对于2HI(g)⇌I2(g)＋H2(g)反应，t1时刻保持温度和压强不变，再加入一定量的HIC．对于PCl5(g)⇌PCl3(g)＋Cl2(g)反应，t1时刻保持温度和体积不变，再加入一定量的PCl5D．对于PCl5(g)⇌PCl3(g)＋Cl2(g)反应，t1时刻保持温度和压强不变，再加入一定量的PCl36．某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题：(1)上述实验中发生反应的化学方程式有______________________________________________________________________________________________________________。(2)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)实验室中现有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4等4种溶液，可与上述实验中CuSO4溶液起相似作用的是_____________________________________________________________；(4)要加快上述实验中气体产生的速率，还可采取的措施有________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答两种)；(5)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列实验。将表中所给的混合溶液分别加入6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间。实验混合溶液ABCDEF4mol·L－1H2SO4/mL30V1V2V3V4V5饱和CuSO4溶液/mL00.52.55V620H2O/mLV7V8V9V10100①请完成此实验设计，其中：V1＝________，V6＝________，V9＝________；②反应一段时间后，实验A中的金属呈________色，实验E中的金属呈________色；③该同学最后得出的结论为当加入少量CuSO4溶液时，生成氢气的速率会大大提高。但当加入的CuSO4溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降。请分析氢气生成速率下降的主要原因___________________________________________________________________________________________________________________________________________。练后反思1．计算化学反应速率的基本模式对于反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)，起始时A的浓度为amol·L－1，B的浓度为bmol·L－1，反应进行至t1s时，A消耗了xmol·L－1，则化学反应速率可计算如下：mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)起始/(mol·L－1)ab00转化/(mol·L－1)xnxt1/(mol·L－1)a－xb－nx则：v(A)＝xt1mol·L－1·s－1，v(B)＝nxmt1mol·L－1·s－1，v(C)＝pxmt1mol·L－1·s－1，v(D)＝qxmt2．依据图像求反应速率的步骤第2课时浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响学业基础一、2．(1)正比(2)单位浓度越快温度催化剂二、2减小增大增大减小三、3．(1)旧键新键(2)过渡态反应物(3)小4．活化分子增加增大四、1．改变质量和化学性质2．(1)参与再生成(2)历程活化能改变3．活化能不能不能五、浓度【即学即练】1．答案：(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√(7)√2．解析：增大容器容积、移去部分SO3，即减少浓度，而减少物质的浓度、降低温度均减小反应速率，B、C、D错误，A中增加O2的浓度，反应速率加快，A正确。答案：A3．解析：医药用品应该在低温、干燥的环境下密封保存，A不正确；篝火中鼓风，主要是增加了氧气的浓度，有利于它继续燃烧下去，B正确；压强的变化只有引起浓度的变化才会对反应速率产生影响，C不正确；二氧化锰在过氧化氢的分解中只起催化剂的作用，反应前后质量不会发生变化，D不正确。答案：B4．解析：影响化学反应速率的因素主要有温度、压强、浓度、接触面积、催化剂等，本题涉及温度、浓度、接触面积三种因素对反应速率的影响。其他条件一定时，溶液的浓度越大，化学反应速率越快；温度的升高和固体由块状变为粉末状都能显著加快反应速率。实验1中盐酸的浓度最小，反应的温度最低，所以化学反应速率最慢；实验3的反应温度比实验2的反应温度高，所以实验3的反应速率大于实验2的反应速率；实验3和实验4虽然浓度、温度相同，物质的状态却不相同，表面积越大，反应速率越快，故选A。答案：A5．解析：活化能为反应物的总能量与过渡态能量之差，从图中可以看出，过渡态3发生的反应活化能最小，该过程的反应方程式为CH2O*＋2H*→CHO*＋3H*，A正确；活化能为反应物的总能量与过渡态能量之差，从图中可以看出，过渡态1发生的反应活化能最大，故该历程中能垒(反应活化能)最大的是①，B正确；总反应速率由反应速率最慢的那步历程决定，由图可知，历程中能垒(反应活化能)最大的为①，所以制约反应速率的方程式为CH3OH*→CH3O*＋H*，C错误；由图可知CH3OH(g)→CH3OH*，放出40kJ热量，①～④过程中CH3OH*→CO*＋4H*放出80kJ热量，即CH3OH(g)→CO*＋4H*放热120kJ，但CO*＋4H*→CO(g)＋2H2(g)吸热未知，所以不能据此确定CH3OH(g)⇌CO(g)＋2H2(g)的焓变ΔH，D错误。答案：AB6．解析：该反应是反应前后气体体积数相等的反应，故改变压强对化学平衡无影响。由图像变化分析可知：t3时刻改变的条件是减小压强，可同程度地减小正、逆反应速率；t4时刻平衡正向移动，且v(正)、v(逆)出现跳跃，则应是升高温度，结合v(正)>v(逆)可知正反应吸热，ΔH>0。答案：(1)减小压强升高温度(2)＞核心素养[例1]解析：①加Na2SO4溶液，溶液中的水对硫酸来说具有稀释作用，使溶液中c(H＋)降低，反应速率减小，但氢气的量不变，正确；②改用50mL0.1mol·L－1的稀盐酸，溶液中c(H＋)降低，反应速率减小，生成氢气的量减小，错误；③反应在溶液中进行，减压对反应速率基本不影响，错误；④改用50mL0.1mol·L－1的硝酸，由于硝酸具有强的氧化性，与Zn发生反应不生成氢气，而生成NO气体，错误；⑤冰水浴使反应温度降低，反应速率减小，由于氢离子的物质的量不变，因此最终产生的氢气的总量不变，正确；⑥加Na2CO3溶液，Na2CO3与硫酸反应产生CO2气体，反应消耗硫酸，导致生成氢气的总量减小，错误。答案：B[提升1]解析：(1)加入催化剂可降低反应的活化能，反应速率增大。(2)因过氧化氢显示出弱酸性，因此为部分电离：H2O⇌H++HO2(3)实验①和②中过氧化氢的浓度不同，实验目的是探究浓度对反应速率的影响，但可能因过氧化氢性质稳定，反应速率太慢，现象不明显，可以给不同浓度的过氧化氢提供相同的温度或催化剂，然后探究浓度对反应速率的影响。(4)分析实验③、④、⑤表中的反应物和催化剂结合图像知道，酸碱性环境影响反应速率，但对平衡移动没有影响。答案：(1)降低了反应的活化能(2)H2O2⇌H++HO(3)探究浓度对化学反应速率的影响向反应物中加入等量同种催化剂(或将盛有反应物的试管放入同一热水浴中)(4)碱性环境能增大H2O2分解的速率，酸性环境能减小H2O2分解的速率，但酸碱性环境对平衡移动无影响[例2]解析：A对，根据甲图数据进行计算，v(C)＝(0.11mol·L－1－0.05mol·L－1)/15s＝0.004mol·L－1·s－1。B对，分析乙图，t2～t3阶段，为增加反应物或生成物浓度；t3～t4阶段，正、逆反应速率同比增大，为使用催化剂；t5～t6阶段，正、逆反应速率同时改变，但正、逆反应速率变化程度不同，此阶段改变的应是温度；t4～t5阶段，正、逆反应速率同比减小，可以判断为减小压强，该反应为反应前后气体体积不变的反应。C错，达到平衡后，A浓度减小0.15mol·L－1－0.06mol·L－1＝0.09mol·L－1，C浓度增加0.11mol·L－1－0.05mol·L－1＝0.06mol·L－1，故A与C的化学计量数之比为0.09mol·L－1∶0.06mol·L－1＝3∶2，结合选项B，推出物质B为生成物，且化学计量数为1，即该反应的化学方程式为3A(g)⇌B(g)＋2C(g)，根据化学方程式计算B在反应过程中增加的物质的量浓度为0.06mol·L-12＝0.03mol·L－1，B的初始浓度为0.0