辅导23 化学反应速率化学反应条件的优化 课件教师版.docx
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辅导23化学反应速率化学反应条件的优化课件教师版
6、化学反应速率化学反应条件的优化
最新考纲
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(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响。
4.了解化学反应速率的调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。
考点一 化学反应速率
1.表示方法
通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
2.数学表达式及单位
v=
,单位为mol·L-1·min-1或mol·L-1·s-1。
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不同,但反应速率的数值之比等于这些物质在化学方程式中的系数之比。
探究思考
1.可逆反应N2+3H2
2NH3在不同时间段测得的反应速率分别为v(N2)=1mol·L-1·s-1,v(H2)=2.5mol·L-1·s-1,能否说明v(H2)>v(N2)?
答案 比较化学反应速率大小时,必须使用同一物质的反应速率且单位一致,v(N2)换算成v(H2)时,相当于3mol·L-1·s-1,所以上述反应中v(N2)>v(H2)。
2.
(1)将4molA气体和2molB气体在2L的容器中混合,并在一定条件下发生如下反应:
2A(g)+B(g)2C(g),若经2s后测得C的浓度为0.6mol·L-1,判断下列几种说法的正误:
①用物质A表示反应的平均速率为0.3mol·L-1·s-1( )
②用物质B表示反应的平均速率为0.6mol·L-1·s-1( )
③2s时物质A的转化率为70%( )
④2s时物质B的浓度为0.7mol·L-1( )
(2)若①②中用A、B表示反应的平均速率分别为0.3mol·L-1·s-1、0.6mol·L-1·s-1,则用________(填“A”或“B”)物质表示的化学反应速率更快。
(3)若物质A的转化率经过计算为30%,那么,物质B的转化率为________,其理由为______________________________________________________
___________________________________________________________________。
解析
(1)本题是考查用不同反应物或产物表示反应的平均速率的方法和反应中物质的转化率、物质的量浓度的计算等知识点,所以考查内容的知识量较大。
v(C)=
=0.3mol·L-1·s-1
①v(A)=v(C)=0.3mol·L-1·s-1
②v(B)=
v(C)=0.3mol·L-1·s-1×
=0.15mol·L-1·s-1
③参加反应的A的物质的量为
0.3mol·L-1·s-1×2s×2L=1.2mol
A的转化率为
×100%=30%
④2s时B的浓度为1mol·L-1-0.15mol·L-1·s-1×2s=0.7mol·L-1。
(2)把v(B)转化为v(A)可得,v(A)=2v(B)=2×0.6mol·L-1·s-1=1.2mol·L-1·s-1,所以,用物质B表示的该反应的速率更快。
(3)通入A、B两气体的物质的量之比等于系数之比2∶1,消耗物质的量之比也为2∶1,则A、B的转化率相等,都为30%。
答案
(1)① ②× ③× ④
(2)B (3)30% 因通入和消耗的A、B的物质的量之比均为2∶1,则A、B的转化率相等
【示例1】(2013·福建理综,12)NaHSO3溶液在不同温度下均可被过量KIO3氧化,当NaHSO3完全消耗即有I2析出,依据I2析出所需时间可以求得NaHSO3的反应速率。
将浓度均为0.020mol·L-1的NaHSO3溶液(含少量淀粉)10.0mL、KIO3(过量)酸性溶液40.0mL混合,记录10~55℃间溶液变蓝时间,55℃时未观察到溶液变蓝,实验结果如下图。
据图分析,下列判断不正确的是( )。
A.40℃之前与40℃之后溶液变蓝的时间随温度的变化趋势相反
B.图中b、c两点对应的NaHSO3反应速率相等
C.图中a点对应的NaHSO3反应速率为5.0×10-5mol·L-1·s-1
D.温度高于40℃时,淀粉不宜用作该实验的指示剂
思维启迪利用化学反应速率公式计算:
Δv=
⇒v(NaHSO3)=
。
解析 由题给图像可知,温度低于40℃时,温度升高,溶液变蓝的时间短,但温度高于40℃时情况相反,A项正确;因为b、c两点的温度不同,反应速率不可能相等,B项错误;图中a点,所用的时间为80s,则NaHSO3的反应速率为:
(0.020mol·L-1×10.0mL×10-3L/mL)÷(50mL×10-3L/mL)÷(80s)=5.0×10-5mol·L-1·s-1,C项正确;由题给条件,55℃时未观察到溶液变蓝,所以温度高于40℃,淀粉不宜作该实验的指示剂,D项正确。
答案 B
【示例2】(2011·重庆理综,29节选)O3在水中易分解,一定条件下,O3的浓度减少一半所需的时间(t)如下表所示。
已知:
O3的起始浓度为0.0216mol·L-1。
pH
t/min
T/℃
3.0
4.0
5.0
6.0
20
301
231
169
58
30
158
108
48
15
50
31
26
15
7
(1)pH增大能加速O3分解,表明对O3分解起催化作用的是________________。
(2)在30℃、pH=4.0条件下,O3的分解速率为______mol·L-1·min-1。
(3)据表中的递变规律,推测O3在下列条件下分解速率依次增大的顺序为________(填字母代号)。
a.40℃、pH=3.0 b.10℃、pH=4.0 c.30℃、pH=7.0
解析
(1)分析表中的数据知,pH增大,O3的分解速率加快,则对O3分解起催化作用的是OH-。
(2)查表计算v(O3)=
=1.00×10-4mol·L-1·min-1。
(3)分析表中数据知,a项中反应时间31<ta<158,同理tb>231,tc<15,故可判断O3的分解速率的大小顺序是b<a<c。
答案
(1)OH-
(2)1.00×10-4 (3)b、a、c
1.反应4CO(g)+2NO2(g)N2(g)+4CO2(g)开始进行时,CO的浓度为4mol·L-1,N2的浓度为0,2min后测得N2的浓度为0.6mol·L-1,则此段时间内,下列反应速率表示正确的是( )。
A.v(CO)=1.2mol·(L·s)-1
B.v(NO2)=0.3mol·(L·min)-1
C.v(N2)=0.6mol·(L·min)-1
D.v(CO2)=1.2mol·(L·min)-1
解析 由题意知N2的反应速率为
=0.3mol·(L·min)-1,根据化学反应速率之比等于系数之比,可得D选项正确。
要注意的是A项中的单位是mol·(L·s)-1,故不正确。
答案 D
2.(2013·泰安质检)对于反应N2(g)+3H2O(g)2NH3(g)+
O2(g),在不同时间段内所测反应速率见选项,则表示该化学反应进行最快的是( )。
A.v(NH3)=1.5mol·(L·min)-1
B.v(N2)=1.2mol·(L·min)-1
C.v(H2O)=1.67mol·(L·min)-1
D.v(O2)=1.5mol·(L·min)-1
解析 将选项中反应速率换算成同一物质的反应速率,然后比较。
答案 B
3.(2013·重庆师大附中测试)反应4A(s)+3B(g)2C(g)+D(g),经2min后,B的浓度减少了0.6mol·L-1。
对此反应速率的正确表示是( )。
A.用A表示的反应速率是0.8mol·L-1·s-1
B.分别用B、C、D表示反应的速率,其比值是3∶2∶1
C.在2min末时的反应速率,用反应物B来表示是0.3mol·L-1·min-1
D.在这2min内用B和C表示的反应速率的值都是相同的
解析 经2min后,B的浓度减少了0.6mol·L-1,这2min内的平均反应速率v(B)=0.3mol·L-1·min-1,而不是2min末时的反应速率,C错;根据反应速率之比等于系数之比可知B正确,A、D错误。
答案 B
通过数据比较反应速率大小的方法——“一看二转三比较”
第一步:
看单位是否统一;
第二步:
是将不同物质表示的化学反应速率转化成用同一物质表示的化学反应速率;
第三步:
是比较数值确定大小。
考点二 外界条件对化学反应速率的影响
1.内因
反应物本身的性质是影响化学反应速率的主要因素。
如相同条件下Mg、Al与稀盐酸反应的速率大小关系为:
v(Mg)>v(Al)。
2.外因(其他条件不变,只改变一个条件)
3.理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子、活化能、有效碰撞。
①活化分子:
能够发生有效碰撞的分子。
②活化能:
如图
图中:
E1为反应的活化能,使用催化剂时的活化能为E3,反应热为E1-E2。
③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
探究思考
1.判断正误
(1)碳酸钙与盐酸反应过程中,再增加CaCO3固体的量,反应速率不变,但把CaCO3固体粉碎,可以加快反应速率。
( )
(2)增大反应体系的压强,反应速率不一定增大。
( )
(3)增大反应物的浓度,能够增大活化分子的百分含量,所以反应速率增大。
( )
(4)同时改变两个变量来研究反应速率的变化,能更快得出有关规律。
( )
(5)二氧化锰能加快所有化学反应的速率。
( )
(6)锌与稀硫酸反应时,硫酸的浓度越大,产生H2的速率越快。
( )
(7)恒压,增加惰性气体的量,原化学反应速率减慢。
( )
答案
(1)
(2) (3)× (4)× (5)× (6)× (7)
2.根据有效碰撞理论,完成下表。
项目
活化能
单位体积内
有效碰
撞次数
化学反
应速率
分子
总数
活化
分子数
活化分
子百分数
增大浓度
不变
增加
增大压强
升高温度
加催化剂
答案 增加 不变 增加 增大 不变 增加 增加 不变 增加 增大 不变 不变 增加 增加 增加 增大 减小 不变 增加 增加 增加 增大
【示例3】(2012·福建理综,12)一定条件下,溶液的酸碱性对TiO2光催化染料R降解反应的影响如下图所示。
下列判断正确的是( )。
A.在0~50min之间,pH=2和pH=7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
C.R的起始浓度越小,降解速率越大
D.在20~25min之间,pH=10时R的平均降解速率为0.04mol·L-1·min-1
思维启迪三看:
①看面:
弄清纵、横坐标的含义;②看线:
弄清线的走向、变化趋势及线的斜率;③看点:
弄清曲线上点的含义,特别是一些特殊点,如与坐标轴的交点、曲线的交点、折点、最高点与最低点等。
解析 在0~50min之间,pH=2和pH=7时反应物R都能完全反应,降解率都是100%,故A正确;pH分别为2、7、10时,通过曲线的倾斜程度可看出溶液的酸性越强,R的降解速率越大,故B错误;图中无法比较同一pH条件下,R的起始浓度与降解速率的关系,故C错误;20~25min之间,pH=10时R的平均降解速率为0.2×10-4mol·L-1/5min=4×10-6mol·L-1·min-1,故D错误。
答案 A
【示例4】(2010·课标全国,28)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到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
A
B
C
D
E
F
4mol·L-1H2SO4/mL
30
V1
V2
V3
V4
V5
饱和CuSO4溶液/mL
0
0.5
2.5
5
V6
20
H2O/mL
V7
V8
V9
V10
10
0
①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:
______________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
解析 第(5)问,本题A~F为对比实验,目的是为了探究CuSO4的量对H2生成速率的影响,为达到此目的,c(H+)应相同,这样,H2SO4溶液的体积A~F应均为30mL,且溶液总体积相同,根据表中数据,总体积应为50mL。
答案
(1)Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu
Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑
(2)CuSO4与Zn反应产生的Cu与Zn形成Cu/Zn微电池,加快了氢气产生的速率
(3)Ag2SO4
(4)升高反应温度、适当增加硫酸的浓度、增加锌粒的比表面积等(答两种)
(5)①30 10 17.5 ②灰黑 暗红 ③当加入一定量的CuSO4后,生成的单质Cu会沉积在Zn的表面,降低了Zn与溶液的接触面积
1.把镁条直接投入到盛有盐酸的敞口容器中,产生H2的速率如右图所示,在下列因素中,影响反应速率的因素是( )。
①盐酸的浓度 ②镁条的表面积 ③溶液的温度 ④Cl-的浓度
A.①④B.③④C.①②③D.②③
解析 Mg+2H+===H2↑+Mg2+,实质是镁与H+间的反应,与Cl-无关。
在镁条的表面有一层氧化膜,当将镁条投入盐酸中时,随着氧化膜的不断溶解,镁与盐酸接触的面积不断增大,产生H2的速率会加快;溶液的温度对该反应也有影响,反应放出热量,使温度升高,则反应速率会逐渐加快。
答案 C
2.一定温度下,反应N2(g)+O2(g)2NO(g)在密闭容器中进行,下列措施不改变化学反应速率的是( )。
A.缩小体积使压强增大B.恒容,充入N2
C.恒容,充入HeD.恒压,充入He
解析 A选项,气体的物质的量不变,仅缩小体积,气体的浓度必然增大,反应速率必然增大;B选项,容积不变,充入N2,使反应物N2的浓度增大,浓度越大,反应速率越大;C选项,容积不变,充入He,虽然反应容器内压强增大,但反应物N2、O2、NO的浓度并没有变化,因此不影响反应速率;D选项,压强不变,充入He,反应容器的体积必然增大,压强虽然没变,但N2、O2、NO的浓度减小,反应速率减小。
答案 C
3.2SO2(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t1~t2内,SO3(g)生成的平均反应速率为v=
解析 本题考查化学反应速率与化学平衡知识,意在考查学生运用化学反应速率和化学平衡解决实际问题的能力。
催化剂能同等程度地改变正逆反应速率,A项错误;压强对化学反应速率的影响是通过改变浓度来实现的,增大反应体系的压强,浓度不一定增大,如恒容下充入惰性气体,速率并没有增大,B项错误;降低温度反应速率减小,将延长反应达到平衡的时间,C项错误;化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量来表示,D项正确。
答案 D
分析外界因素对化学反应速率的影响时的注意点
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。
2.压强对速率的影响是通过改变反应物总体积进而使浓度改变来实现的。
对于有气体参加的反应而言,讨论压强对反应速率的影响时,应区分引起压强改变的原因,这种改变对反应体系的浓度产生何种影响,由此判断出对反应速率有何影响。
有以下几种情况:
(1)恒温时:
增大压强
体积缩小
浓度增大
反应速率加快。
(2)恒容时:
①充入气体反应物
浓度增大
速率加快。
②充入惰性气体
总压增大,但各气体物质的量浓度不变,反应速率不变。
(3)恒压时:
充入惰性气体
体积增大
各物质浓度减小
反应速率减慢。
3.温度改变对任何反应的速率都有影响。
考点三 工业合成氨
1.反应特点
N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0 ΔS<0
2.合成氨适宜条件的选择
(1)温度以700_K左右为宜;
(2)压强大致可分为低压(1×107Pa)、中压(2×107Pa~3×107Pa)和高压(8.5×107Pa~1×108Pa)三种类型;
(3)用铁触媒做催化剂;
(4)按N2与H2的物质的量之比为1∶2.8投料并及时分离出NH3。
3.合成氨工业的简要流程
合成氨工业的简要流程可用方框图表示为:
(1)原料气的制取
N2:
将空气液化,蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2,除去CO2后得N2。
H2:
用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。
用煤和水制H2的主要反应为:
C+H2O(g)
CO+H2 CO+H2O(g)
CO2+H2
(2)制得的N2、H2需净化除去杂质,再用压缩机压缩至高压。
(3)氨的合成:
在适宜的条件下,在合成塔中进行。
(4)氨的分离:
经冷凝使氨液化,将氨分离出来,使平衡向正反应方向移动提高原料的利用率,并将没有完全反应的N2和H2循环送入合成塔,使其被充分利用。
探究思考
1.化学反应速率快,转化率一定高吗?
答案 化学反应速率是描述反应进行快慢的物理量,反应快但转化率不一定高,但是单位时间内产物的产量大。
2.合成氨时既要使合成氨的产率增大,又要使反应速率加快,可采用的办法是________。
①减压 ②加压 ③升温 ④降温 ⑤及时从平衡混合气中分离出NH3 ⑥补充N2或H2 ⑦加催化剂 ⑧减小N2或H2的量
答案 ②⑥
【示例5】(高考题改编)运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义,请完成下列探究。
(1)生产氢气:
将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。
C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g) ΔH=131.3kJ·mol-1,ΔS=133.7J·mol-1·K-1,该反应在低温下________(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)已知在400℃时,N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的K=0.5mol-2·L2,
①在400℃时,2NH3(g)N2(g)+3H2(g)的K′=________(填数值)。
②400℃时,在0.5L的反应容器中进行合成氨反应,一段时间后,测得N2、H2、NH3的物质的量分别为2mol、1mol、2mol,则此时反应v(N2)正________(填“>”、“<”、“=”或“不确定”)v(N2)逆。
③若在恒温、恒压条件下向平衡体系中通入氩气,则合成氨反应的平衡________(填“向左”、“向右”或“不变”)移动;使用催化剂________(填“增大”、“减小”或“不改变”)反应的ΔH。
解析
(1)根据ΔH-T·ΔS<0为自发反应知,现ΔH=131.3kJ·mol-1,ΔS=133.7J·mol-1·K-1=0.1337kJ·mol-1·K-1,解得在T>
≈982K时该反应能自发进行,由此可知该反应在低温下不能自发进行。
(2)①平衡常数的值与化学方程式的书写有关,根据平衡常数的定义可得K′=
=2mol2·L-2。
②引入浓度商Q,Q=
=
=
mol-2·L2=K,说明此时已达化学平衡状态,即v(N2)正=v(N2)逆。
③恒温、恒压条件下向平衡体系中通入氩气,使总体积增大,原反应气体分压减小,平衡左移。
使用催化剂只是改变了反应的途径,没有改变反应物与生成物的状态,ΔH不变。
答案
(1)不能
(2)①2mol2·L-2 ②= ③向左 不改变
1.(鲁科教材改编)下列有关合成氨工业的叙述,可用勒·夏特列原理来解释的是( )。
A.使用铁做催化剂,可提高合成氨反应的速率
B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C.500℃左右比室温更有利于合成氨的反应
D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率
答案 B
2.合成氨工业满足了人口的急剧增长对粮食的需求,也为有机合成提供了足够的原料——氨。
合成氨反应是一个可逆反应,N2(g)+3H2(g)2NH3(g),在298K时:
ΔH=-92.2kJ·mol-1,K=4.1×106(mol·L-1)-2。
(1)从平衡常数来看,反应的限度已经很大了,为什么还需要使用催化剂?
___________________________________________________________________。
(2)试分析实际工业生产中采取700K左右的温度的原因:
___________________。
(3)298K,1.01×105Pa,在10L密闭容器中充入10mol氮气、30mol氢气和20mol氨气,开始的瞬间,反应向________(填“正”或“逆”)方向进行,反应进行5min后体系能量的变化为________(填“吸收”或“放出”)184.4kJ,容器内压强变为原来的________倍。
(4)从开始至5min时,用N2浓度变化表
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