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专题2 化学反应速率与化学平衡
第一单元 化学反应速率
第1课时 化学反应速率的表示方法
[目标要求] 1.了解化学反应速率的概念。2.了解化学反应速率的定量表示方法。3.掌握化学反应速率的简单计算。4.了解化学反应速率的测定方法。
一、化学反应速率的表示方法
1．化学反应速率：衡量化学反应进行快慢的物理量。
2．表示方法：化学反应速率用单位时间内反应物浓度(常用物质的量浓度)的减少或者生成物浓度的增加来表示。
3．数学表达式：v(A)＝。
其中Δc表示反应过程中反应物或生成物物质的量浓度的变化(取其绝对值)，Δt表示时间变化。
其单位主要有：mol·L－1·s－1或mol·L－1·min－1或mol·L－1·h－1。
4．对同一反应，用不同物质的浓度变化所表示的反应速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。
二、化学反应速率的测定及计算
1．化学反应速率测定的基本思路及方法
化学反应速率是通过实验测定的。要测定不同反应时刻反应物或生成物的浓度，可通过观察和测量体系中的某一物质(反应物或生成物)的相关性质，再进行适当的转换和计算。例如，过氧化氢的分解反应中有气体生成，可以测量在一定温度和压强下释放出来的气体的体积；有些反应物(或生成物)有颜色，随着反应的进行，溶液的颜色不断变化，可以用比色的方法测定溶液颜色的深浅，再根据溶液颜色与反应物浓度(或生成物浓度)的关系，换算成反应物(或生成物)在不同反应时刻的浓度。
2．化学反应速率的计算
由于Δc是浓度变化的绝对值，故化学反应速率都取正值，其一般计算依据是：
(1)根据某一物质起始浓度(c0)和一段时间后浓度(ct)的关系计算：Δc(反应物)＝c0－ct，Δc(生成物)＝ct－c0；
(2)根据反应物的转化率(α)计算：Δc(反应物)＝c0α；
(3)根据化学方程式的化学计量数进行换算
求出一种物质的反应速率后可根据化学计量数之间的比值去计算其他物质的反应速率。
知识点一 化学反应速率的概念
1．下列关于化学反应速率的说法正确的是( )
A．化学反应速率是指在一段时间内任何一种反应物物质的量的减少或任何一种生成物物质的量的增加
B．化学反应速率为0.8 mol·L－1·s－1，是指在1 s时某物质的浓度是0.8 mol·L－1
C．化学反应速率可以衡量化学反应进行的快慢
D．对于任何化学反应来说，反应速率越快，反应现象越明显
答案 C
解析 化学反应速率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；化学反应速率是表示某一时间段内的平均速率而不是瞬时速率。
2．已知某条件下，合成氨反应的数据如下：
N2(g)＋3H2(g)高温、高压
催化剂
2NH3(g)
1.0 3.0 0.2
0.6 1.8 1.0
0.4 1.2 1.4
当用氨气浓度的增加来表示该反应的速率时，下列说法中错误的是( )
A．2 s末氨气的反应速率为0.4 mol·L－1·s－1
B．前2 s时间内氨气的平均反应速率为0.4 mol·L－1·s－1
C．前4 s时间内氨气的平均反应速率为0.3 mol·L－1·s－1
D．2～4 s时间内氨气的平均反应速率为0.2 mol·L－1·s－1
答案 A
解析 反应速率不是瞬时速率，要计算反应速率，关键要抓住Δt时间段对应的Δc的量。
知识点二 化学反应速率与化学计量数的关系
3．在四个不同的容器中，在不同的条件下进行合成氨反应，根据下列在相同时间内测得的结果判断，生成氨的反应速率最快的是( )
A．v(NH3)＝0.1 mol·L－1·min－1
B．v(N2)＝0.1 mol·L－1·min－1
C．v(N2)＝0.2 mol·L－1·min－1
D．v(H2)＝0.3 mol·L－1·min－1
答案 C
解析 合成氨反应：N2＋3H2
2NH3，在同一反应用不同物质表示其反应速率时，反应速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，要在四种不同情况下比较反应速率快慢需用同一物质的变化表示。又因为v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)＝1∶3∶2，将B、C、D中的反应速率转化成v(NH3)，即为：0.2 mol·L－1·min－1、0.4 mol·L－1·min－1、0.2 mol·L－1·min－1，故选C。
4．反应4A(s)＋3B(g)===2C(g)＋D(g)，经2 min，B的浓度减少0.6 mol·L－1。对此反应速率的表示正确的是( )
A．用A表示的反应速率是0.4 mol·L－1·min－1
B．分别用B、C、D表示的反应速率之比是3∶2∶1
C．在2 min末的反应速率，用B表示是0.3 mol·L－1·min－1
D．在2 min内的反应速率，用C表示是0.3 mol·L－1·min－1
答案 B
解析 固体A不具有浓度概念，该物质的反应不能用mol·L－1·min－1的单位来表示。
知识点三 化学反应速率的测定
5．下表所列数据是某高温下金属镁和镍分别在氧气中进行氧化反应时，在金属表面生成氧化薄膜的实验记录，a和b均为与温度有关的常数。
反应时间t/h
1
4
9
16
25
MgO层厚y/nm
0.05a
0.20a
0.45a
0.80a
1.25a
NiO层厚y′/nm
b
2b
3b
4b
5b
(1)金属在高温下氧化腐蚀速率可以用金属氧化膜的生成速率来表示，其理由是________________________________________________________________________。
(2)金属氧化膜的膜厚y跟时间t所呈现的关系是：MgO氧化膜的膜厚 y属于______型，NiO氧化膜的膜厚y′则属于_____型。(填“直线”、“抛物线”、“双曲线”或“对数”)
(3)Mg与Ni相比较，金属________具有更好的耐氧化腐蚀性，其理由是
________________________________________________________________________。
答案 (1)因化学反应的快慢既可以用反应物的消耗速率表示，又可以用生成物的生成速率表示，所以金属的腐蚀速率可以用其氧化物的生成速率来表示
(2)直线 抛物线
(3)Ni 据(2)可知，y′随时间t增长比y随时间t增长得慢，故Ni的耐氧化腐蚀性比Mg好
解析 由表中数据可知MgO膜厚与时间t的关系式为y＝0.05at；NiO膜厚y′与时间t的关系式为y′＝b，即可知MgO膜厚y属直线型，而NiO膜厚y′属抛物线型。此题创新之处在于利用了数学函数知识去分析化学问题，有一定的新颖性。
练基础落实
1．在不同条件下分别测得反应2SO2(g)＋O2(g)催化剂
△
2SO3(g)的化学反应速率，其中表示该反应进行的最快的是( )
A．v(SO2)＝4 mol·L－1·min－1 B．v(O2)＝3 mol·L－1·min－1
C．v(SO2)＝0.1 mol·L－1·s－1 D．v(O2)＝0.1 mol·L－1·s－1
答案 D
解析 比较：必须统一标准。换算成同一物质进行比较是关键，本题首先需要统一单位。
2．反应：2SO2(g)＋O2(g)催化剂
△
2SO3(g)经一段时间后，SO3的浓度增加了0.4 mol·L－1，在这段时间内用O2表示的反应速率为0.04 mol·L－1·s－1，则这段时间为( )
A．0.1 s B．2.5 s C．10 s D．5 s
答案 D
解析 根据题意知，SO3的浓度增加0.4 mol·L－1，则O2的浓度减小0.2 mol·L－1，v(O2)＝，则Δt＝＝＝5 s。
3．2 mol A与2 mol B混合于2 L的密闭容器中，发生如下反应：2A(g)＋3B(g)
2C(g)＋zD(g)
若2 s后，A的转化率为50%，测得v(D)＝0.25 mol·L－1·s－1，下列推断正确的是( )
A．v(C)＝v(D)＝0.2 mol·L－1·s－1
B．z＝3
C．B的转化率为75%
D．反应前与2 s后容器的压强比为4∶3
答案 C
解析 A的起始量为2 mol，转化50%即转化1 mol，根据反应关系知B转化1.5 mol，C生成1 mol，又因为v(D)＝0.25 mol·L－1·s－1，可计算出2 s时D的生成量为0.25 mol·L－1·s－1×2 L×2 s＝1 mol，故知z＝2，B错；v(C)＝v(D)＝v(A)＝0.25 mol·L－1·s－1，故A错；B的转化率为×100%＝75%，C正确；反应达2 s时，容器内总物质的量为nA＋nB＋nC＋nD＝1 mol＋0.5 mol＋1 mol＋1 mol＝3.5 mol。故反应前后的容器中气体总物质的量之比为4∶3.5，压强比为4∶3.5，D错。
4．化合物Bilirubin在一定波长的光照射下发生分解反应，反应物浓度随反应时间变化如下图所示，计算反应4～8 min间的平均反应速率和推测反应16 min时反应物的浓度，结果应是( )
A．2.5 μmol·L－1·min－1和2.0 μmol·L－1
B．2.5 μmol·L－1·min－1和2.5 μmol·L－1
C．3.0 μmol·L－1·min－1和3.0 μmol·L－1
D．5 μmol·L－1·min－1和3.0 μmol·L－1
答案 B
解析 据图可知，4 min时化合物Bilirubin的浓度为20 μmol·L－1，8 min时其浓度为10 μmol·L－1，因此4～8 min间的平均反应速率为＝2.5 μmol·L－1·min－1。进一步分析图像可知0～4 min间的平均分解速率为＝5.0 μmol·L－1·min－1，由以上分析数据大致可确定平均分解速率基本呈等比递减变化，因此可估算8～12 min间平均分解速率为1.25 μmol·L－1·min－1,12～16 min间平均分解速率为0.625 μmol·L－1·min－1，因此16 min时反应物的浓度大致应为10 μmol·L－1－1.25 μmol·L－1·min－1×4 min－0.625 μmol·L－1·min－1×4 min＝2.5 μmol·L－1，故B项正确。
练方法技巧
5.一定温度下，在2 L的密闭容器中，X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。下列叙述正确的是( )
A．反应开始到10 s末时，用Z表示的反应速率为0.158 mol·L－1·s－1
B．反应开始到10 s末时，X的物质的量浓度减少了0.79 mol·L－1
C．反应开始到10 s时，Y的转化率为79.0%
D．反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)
Z(g)
答案 C
解析 分析图象，关键是看变化量和走势，从走势分析X、Y是反应物，Z是生成物，初步分析它们的变化量分别为Δn(X)＝1.20 mol－0.41 mol＝0.79 mol，Δn(Y)＝1.0 mol－0.21 mol＝0.79 mol，Δn(Z)＝1.58 mol，首先确定该反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)===2Z(g)。据选项要求分别计算出v(Z)＝＝0.079 mol·L－1·s－1；Δc(X)＝＝0.395 mol·L－1；α(Y)＝×100%＝79%，只有C选项正确。
6．在2 L密闭容器中进行如下反应：mX(g)＋nY(g)===pZ(g)＋qQ(g)，2 s时间内X表示的平均反应速率为0.3m/p mol·L－1·s－1，则2 s时间内，Q物质增加的物质的量为( )
A．1.2q/p mol B．1.2m/p mol C．1.6q/p mol D．0.6q/p mol
答案 A
解析 不同物质表示的反应速率之比等于它们的化学计量数之比，X表示的平均反应速率为0.3m/p mol·L－1·s－1，Q物质表示的反应速率为0.3m/p mol·L－1·s－1×＝0.3q/p mol·L－1·s－1。则Δn(Q)＝0.3q/p mol·L－1·s－1×2 L×2 s＝1.2q/p mol。
练综合拓展
7．请你协助化学兴趣小组的同学完成如下实验，并回答相关问题。
实验目的：比较等体积0.5 mol·L－1硫酸、1 mol·L－1盐酸、1 mol·L－1醋酸分别与金属反应生成氢气的速率和体积。
实验原理：(用离子方程式表示)_____________ ______________________。
实验用品：仪器(略)、药品(除给定的三种酸溶液外，在Na、Mg、Fe三种金属中选择最合适的一种，并说明理由)。选择的金属是________，不选其他两种金属的理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
实验步骤：
(1)甲同学设计的实验装置：
乙同学认为该装置不能控制三个反应在同一时间发生，并作了相应的改进。你认为乙同学改进的措施是_________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)按改进后的装置进行实验，观察现象并得出相关结论。
实验现象及结论：________________________________________________________。
(4)实验开始时的速率：v(H2SO4)______v(HCl)______v(CH3COOH)(用“＝”、“<”或“>”填空，下同)，反应进行一段时间后的速率：v(H2SO4)<v(HCl)____v(CH3COOH)。
(5)最终得到的氢气体积：V(H2/H2SO4)______V(H2/HCl)______V(H2/CH3COOH)。
问题讨论：
(6)量筒的规格由__________________决定。
(7)对结论(4)、(5)中盐酸和醋酸的异同，你的解释是
________________________________________________________________________。
(8)根据现有知识，上述实验中硫酸和盐酸分别与金属反应的速率应始终相等，但反应一段时间后有v(H2SO4)<v(HCl)。对此现象，你猜想可能的原因是
________________________________________________________________________。
大学无机化学对此问题将有科学的解释。
答案 2H＋＋Mg===H2↑＋Mg2＋，
2CH3COOH＋Mg===H2↑＋Mg2＋＋2CH3COO－
Mg Na太活泼，能和水反应产生氢气，影响实验结论；Fe与酸反应的速率较慢，实验时间较长
(2)同时用分液漏斗分别向烧瓶中加入酸液
(3)实验现象：反应开始时醋酸的反应速率小于盐酸和硫酸的反应速率。当反应进行到一定程度后，醋酸的反应速率大于盐酸和硫酸。
结论：最终得到的氢气体积相等
(4)＝ > < (5)＝ ＝ (6)酸液的体积
(7)醋酸中存在电离平衡，反应开始时c(H＋)小于盐酸，故反应速率也小于盐酸。当反应进行到一定程度后，醋酸的电离平衡不断向右移动，使得c(H＋)大于盐酸，故反应速率大于盐酸。由于醋酸、盐酸最终提供的H＋的物质的量相等，故最后得到H2的体积相等
(8)H＋的存在抑制HSO的电离(或：SO抑制H＋与Mg的反应或Cl－促进H＋与Mg的反应
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