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第六章 化學反應與能量
第二節 化學反應的速率與限度
1、能從化學反應速率和限度的角度解釋生產、生活中簡單的化學現象。
2、能說出化學反應速率的表示方法，能通過實驗來探究化學反應速率的影響因素，能初步解釋化學實驗和化工生產中反應條件的選擇問題。
3、能描述化學平衡狀態，初步判斷化學反應是否達到平衡。
學習目標
10NaN3+2KNO3＝K2O+5Na2O+16N2↑
幾個月
在地表以下100多公里處富含碳元素的礦層，5000MPa和約1200oC環境下經過漫長的過程最終形成的鉆石。
不足0.1秒
至少10億年
生活中的化學反應
化學反應的快慢
(化學反應速率)
了解化學反應
速率的概念
知道影響化學
反應速率的因素
問題：如何描述化學反應的快慢？
(1)定性研究：
(2)定量研究：
根據反應現象劇烈程度判斷
以合理數據做判斷
新課導入：研究化學反應的新視角
(1)定性研究：根據反應現象劇烈程度判斷
思考：如何定性的描述化學反應的快慢？
氣泡逸出快慢、反應物消失的快慢、渾濁程度、顏色變化、溫度變化……
(2)定量研究：以合理數據做判斷
思考：生活中用什么方式來表示物體運動的快慢？
新課導入：研究化學反應的新視角
(2)定量研究：以合理數據做判斷
生活中用什么方式來表示物體運動的快慢？
學科鏈接
v＝
S
t
化學反應過程中哪些物理量發生了變化？
知識遷移
反應物、生成物濃度
(物質的量濃度)
新課導入：研究化學反應的新視角
1、化學反應速率
用來衡量化學反應進行快慢的物理量。
通常用單位時間內反應物濃度的減少量或生成物濃度的增加量(均取正值)來表示。
v ＝
c
t
(B)
(1)概念：
(2)表示方法：
(3)計算公式極單位：
(B)
單位： mol/(L·s) 或 mol/(L·min)
mol·L 1·s 1 或 mol·L 1·min 1
一、化學反應的速率
例、在某一化學反應里，反應物A的濃度在10 s內從4.0 mol/L變成1.0 mol/L。在這10 s內A的化學反應速率為多少？
v(A)＝
c(A)
t
＝
4.0 mol/L－1.0 mol/L
10 s
＝0.3 mol/(L·s)
反應速率指一段時間內的平均速率！
問：第10s的反應速率為多少？
無法確定
一、化學反應的速率
(1)寫出有關反應的化學方程式；
(2)標出各物質的起始量、變化量、某時刻量；
(3)根據已知條件列方程式計算。
步
驟
例： m A + n B ＝ p C + q D
起始(mol/L)：
變化(mol/L)：
某時刻(mol/L)：
a b 0 0
mx
nx px qx
a－mx
b－nx px qx
一、化學反應的速率
基本關系
①變化量與方程式中各物質的化學計量數成比例
②轉化率α
α(A)＝
A的變化量
A的起始量
×100%
例： m A + n B ＝ p C + q D
起始(mol/L)：
變化(mol/L)：
某時刻(mol/L)：
a b 0 0
mx
nx px qx
a－mx
b－nx px qx
一、化學反應的速率
例、在2 L的密閉容器中，加入1 mol N2和3 mol H2，發生 N2＋3H2＝2NH3 ，在2 s末時，測得容器中含有0.4 mol的NH3，求該反應的化學反應速率。
分析：三段法 N2 ＋ 3H2 ＝ 2NH3
起始濃度(mol/L)
2s末濃度(mol/L)
變化濃度(mol/L)
0.5 1.5 0
0.2
0.2
0.3
0.1
0.4
1.2
v(H2)＝0.15mol/(L·s)
v(N2)＝0.05mol/(L·s)
v(NH3)＝0.1mol/(L·s)
特點：v(N2) : v(H2) : v(NH3)＝1 : 3 : 2
一、化學反應的速率
溫馨提示：
(3)v指一段時間內的平均反應速率，取正值。
(1)描述v時要指明具體物質。
(2)不能用固體或純液體來表示化學反應速率。
(4)同一個化學反應中，用不同物質來表示其反應速率時，化學反應速率之比等于化學計量數之比
即：對于反應mA(g)＋nB(g)＝pC(g)＋qD(g)，
v(A) : v(B) : v(C) : v(D)＝m : n : p : q
一、化學反應的速率
練、已知：4NH3(g)＋5O2(g) ＝ 4NO(g)＋6H2O(g)，若反應速率分別用 v(NH3)、v(O2)、v(NO)、v(H2O)表示，則正確的關系式為(　　)
A. 4v(NH3)＝5v(O2) B. 5v(O2)＝6v(H2O)
C. 2v(NH3)＝3v(H2O) D. 4v(O2)＝5v(NO)
D
一、化學反應的速率
練、某溫度時，在2 L的容器中，X 、Y、 Z三種物質的物質的量隨時間的變化曲線如圖。由圖可得該反應的化學方程式為______________，反應開始至2 min，Z的平均反應速率為________。
一、化學反應的速率
例3.反應A+3B=2C+2D在四種不同情況下的反應速率分別為：① v(A)=0.15mol/(L·s)、② v(B)=0.6mol/(L·s)
③ v(C)=0.4mol/(L·s)、④ v(D)=0.45mol/(L·min)
則該反應在不同條件下速率順序是______________
分析：比較某一反應的快慢，首先考慮單位，再轉換成同一物質進行比較。
②＝③﹥①﹥④
一、化學反應的速率
(1)基準法：①若單位不統一，要換算成相同的單位；
②換算成同一物質來表示的反應速率，再比較數值的大小。
(2)比值法：對于反應aA(g)＋bB(g)＝cC(g)＋dD(g)，比較
則說明用A表示
的化學反應速率大于用B表示的化學反應速率。
v(A)
a
v(B)
b
與 ，若 ﹥
v(A)
a
v(B)
b
同一反應用不同物質表示其v大小比較方法：
一、化學反應的速率
2、影響化學反應速率的因素
(1)內因：
如：Na、Mg、Al與水反應的速率由大到小的順序為Na﹥Mg﹥Al 。內因是影響物質化學反應速率的決定性因素。
(2)外因：
①催化劑：
催化劑可以改變化學反應速率，使用不同催化劑時，催化效率可能不同。
反應物本身的性質
一、化學反應的速率
2、影響化學反應速率的因素
(2)外因
教材P43·探究：影響v的因素——②反應溫度
實驗一：在兩支大小相同的試管中均加入2 mL 5% H2O2溶液，同時滴入2滴1 mol/L FeCl3溶液。待試管中均有適量氣泡出現時，將其中一支試管放入盛有冷水的燒杯中，另一支試管放入盛有熱水的燒杯中，觀察現象并進行對比。
對比試驗：注意控制變量
一、化學反應的速率
實驗一：探究反應溫度對化學反應速率的影響
一、化學反應的速率
教材P43·探究：影響v的因素——②反應溫度
實驗一：在兩支大小相同的試管中均加入2 mL 5% H2O2溶液，同時滴入2滴1 mol/L FeCl3溶液。待試管中均有適量氣泡出現時，將其中一支試管放入盛有冷水的燒杯中，另一支試管放入盛有熱水的燒杯中，觀察現象并進行對比。
不同溫度環境
冷水
熱水
實驗現象
冷水中產生氣泡的速率較慢
熱水中產生氣泡的速率較快
實驗結論：當其他條件相同時，升高溫度，化學反應速率增大；降低溫度，化學反應速率減小
一、化學反應的速率
探究：影響v的因素——③反應物濃度
實驗二：在兩支大小相同的試管中各加入5mL0.1mol/L鹽酸和5mL1mol/L鹽酸。再分別向兩支試管中加入等質量等表面積的鐵片，觀察現象并進行對比。
不同濃度環境
0.1mol/L
1mol/L
實驗現象
鐵片表面產生氣泡的速率較慢
鐵片表面產生氣泡的速率較快
實驗結論：當其他條件相同時，增大反應物濃度，化學反應速率增大；減小反應物濃度，化學反應速率減小
注：濃度對化學反應速率的影響只適用于在溶液中或有氣體參加的反應。對于純液體或固體物質，其濃度可視為常數，其量的改變不會影響化學反應速率。
一、化學反應的速率
練、把下列四種X溶液分別加入四個盛有10 mL 2 mol/L鹽酸的燒杯中，均加水稀釋到50mL，其中化學反應速率最快的是( )
A. 10℃ 20 mL 3 mol/L的X溶液
B. 20℃ 30 mL 2 mol/L的X溶液
C. 20℃ 10 mL 4 mol/L的X溶液
D. 10℃ 10 mL 2 mol/L的X溶液
B
一、化學反應的速率
探究：影響v的因素——④固體反應物的表面積
實驗三：在兩支大小相同的試管中均加入10 mL 1mol/L鹽酸。再向兩支試管中分別加入1 g塊狀大理石和 1 g粉末狀大理石 ，觀察現象并進行對比。
不同固體表面積
塊狀大理石
粉末狀大理石
實驗現象
塊狀大理石的試管中產生氣泡的速率較慢
粉末狀大理石的試管中產生氣泡的速率較快
結論：當其他條件相同時，增大固體反應物的表面積，化學反應速率增大；減小固體反應物的表面積，化學反應速率減小。
一、化學反應的速率
探究：影響v的因素——⑤壓強
思考：某容積可變的密閉容器盛有氣體，對容器加壓，則容器容積怎么變？氣體的濃度會改變嗎？
結論一：對于無氣體參加的反應，改變壓強時，化學反應速率基本不變。
結論二：對于有氣體參加的反應，改變壓強時，化學反應速率可能發生改變。
注意：壓強對v的影響實質上是濃度對v的影響
分析思路：壓強的改變是否會引發反應物濃度的變化
一、化學反應的速率
探究：影響v的因素——⑤壓強(有氣體參與的化學反應)
提示：若無特殊說明，壓強的改變一律是通過改變反應容器的容積來實現的。
增大壓強
反應物濃度增大
化學反應速率增大
減小壓強
反應物濃度減小
化學反應速率減小
Ⅰ、恒溫時：
一、化學反應的速率
練、反應C(s)＋H2O(g)＝CO(g)＋H2(g)在一可變容積的密閉容器中進行，下列條件的改變對其反應速率幾乎無影響的是( )(雙選)
A. 增加C的量
B. 將容器的體積縮小一半
C. 保持體積不變，充入N2使體系壓強增大
D. 保持壓強不變，充入N2使容器體積增大
AC
一、化學反應的速率
Ⅱ、恒溫恒容時
①充入氣體反應物：P_____、c______、v _____；
②充入惰性氣體：P_____、c______、v _____。
Ⅲ、恒溫恒壓時
充入惰性氣體：P_____、c______、v _____。
探究：影響v的因素——⑤壓強(有氣體參與的化學反應)
增大
增大
增大
增大
不變
不變
不變
減小
減小
影響v的因素——⑥形成原電池
如：鋅粒與稀硫酸的反應中，在其他條件相同時，滴入幾滴CuSO4溶液能增大H2的生成速率(構成銅鋅原電池)
一、化學反應的速率
(3)其他影響因素：反應物狀態、光照、超聲波、電磁波、溶劑等
2、影響化學反應速率的因素
(1)內因：反應物本身的性質
(2)外因：催化劑、反應溫度、反應物濃度、固體反應物表面積、壓強、形成原電池
一、化學反應的速率
影響因素 前提 v 注意事項
外 因 濃 度 其 他 條 件 相 同 時 增大反應物濃度
減小反應物濃度
溫 度 升高溫度
降低溫度
催化劑 使用催化劑
壓 強 增大壓強
減小壓強
增大固體反應物接觸面積
增大
減小
增大
減小
增大
減小
常增大
固體或純液體的濃度視為常數，改變用量，化學反應速率不變
無論是吸熱反應還是放熱反應，升高溫度v均增大，降低溫度v均減小
具有選擇性和專一性
通過改變容器容積改變壓強(有氣體參與)
增大
常見的四種影響化學反應速率的因素的比較
練、一定量的鹽酸跟過量的鐵粉反應時，為了減慢反應速率，而不影響生成H2的總量，可向其中加入適量的( )
A. Na2CO3晶體 B. 水
C. CuSO4晶體 D. CH3COONa晶體
一、化學反應的速率
練、把鋅片投入盛有稀硫酸的試管中，發現產生氫氣的速率變化如圖所示，試用化學反應與能量變化的關系以及化學反應速率的相關知識解釋這種現象。
v(H2)
t0 t1 t2 t/s
t0～t1：____________________
____________________
t1～t2：_____________________
____________________
隨著反應的進行，溫度升高，反應速率加快。
隨著反應的進行，c(H+)降低，反應速率減慢。
一、化學反應的速率
一個化學反應在實際進行時(如化學實驗、化工生產等)，反應物是否會按化學方程式中的計量關系完全轉變成產物呢？
科學史話：煉鐵高爐尾氣之謎
高溫
高爐煉鐵的主要反應：Fe2O3＋3CO == 2Fe＋3CO2
其CO發生的反應是：C＋O2＝CO2、C＋CO2＝2CO
生產中所需焦炭的實際用量，遠高于按照化學方程式計算所需的量，而且從高爐爐頂出來的氣體中總是含有沒有利用的CO氣體。
研究化學反應的新視角：化學反應的限度
高
爐
19世紀下半葉，法國科學家勒夏特列才將謎底揭開：C＋CO2 2CO是一個可逆反應。
后來的研究證明，在高爐中Fe2O3和CO反應也不能全部轉化為 Fe 和 CO2。
科學研究表明，很多化學反應都具有可逆性，即正向反應和逆向反應在同時進行。只是可逆的程度有所不同且差異很大。
科學史話：煉鐵高爐尾氣之謎
研究化學反應的新視角：化學反應的限度
一、可逆反應
1、定義：
2、特點：
在同一條件下，既能向正方向進行，同時又能向逆反應方向進行的反應，叫做可逆反應。
(1)普遍性:
(2)同條件:
(3)同時性:
(4)共存性:
大多數的化學反應都是可逆反應
正、逆反應是在同一條件下進行的
正、逆反應同時進行
反應物和生成物共存
二、化學反應的限度
一、可逆反應
3、常見的可逆反應
NH3 ＋ H2O NH3·H2O
2SO2 ＋ O2 2SO3
N2 ＋ 3H2 2NH3
Cl2 ＋ H2O HClO ＋ HCl
Cr2O72 (橙色) ＋ H2O 2CrO42 (黃色) ＋ 2H＋
二、化學反應的限度
練、某學習小組為了證明2Fe3＋＋2I 2Fe2＋＋I2 為可逆反應，設計了如下的方案：
取2 ml 0.5 mol/L KI溶液，滴加2 ml 0.1 mol/L的FeCl3溶液，再繼續加入2 ml CCl4，充分振蕩、靜置、分層，再取上清液，滴加KSCN溶液。
(1)該方案中能證明該反應為可逆反應的現象是：
_________________________________________
_________________________________________。
下層溶液呈紫紅色，且上清夜中加KSCN后溶液呈血紅色。
二、化學反應的限度
(2)有同學認為該方案不夠嚴密，即使該反應不是可逆反應也可能出現上述現象，原因是：__________________________
______________________________。
振蕩過程中，溶液中Fe2+可被空氣中的氧氣氧化成Fe3+
練、某學習小組為了證明2Fe3＋＋2I 2Fe2＋＋I2 為可逆反應，設計了如下的方案：
二、化學反應的限度
二、化學反應的限度
(1)化學平衡狀態的建立
以CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)為例：在一定溫度下，將0.1mol CO(g)0.1molH2O(g)通入1L密閉容器中。
開始時
c(生成物)＝0，v逆＝0
c(反應物)最大，v正最大
進行中
c(生成物)逐漸增大，v逆逐漸增大
c(反應物)逐漸減小，v正逐漸減小
平衡時
v正＝v逆≠0
c(反應物)、 c(生成物)均不變
二、化學反應的限度
v
0
t
(2)化學平衡建立過程中化學反應速率的變化圖像
v正
v逆
t1
v正＝v逆
以CO為例：
v正
v逆
(消耗)
(生成)
＝
即：指某種物質的消耗速率等于其生成速率
化學平衡狀態
二、化學反應的限度
(3)化學平衡狀態的概念：
一定條件下的可逆反應中，當反應進行到一定程度時，正反應速率與逆反應速率相等，反應物濃度和生成物濃度都不再改變，達到一種表面靜止的狀態。稱為化學平衡狀態，簡稱化學平衡。
前提(適用范圍):
內在本質:
外在標志:
可逆反應
v正＝v逆≠0
各組分的濃度保持不變
說明：化學平衡狀態是可逆反應在一定條件下所能達到的或完成的最大程度，即該反應的限度。
二、化學反應的限度
建立化學平衡的反應是可逆反應
同一物質正反應速率和逆反應速率相等(即v正＝v逆)
達到平衡狀態時，反應并沒有停止(即v正＝v逆≠0)
平衡體系中各組分的含量(c、體積分數等)保存一定
任一化學平衡狀態均是暫時的、相對的、有條件的。條件改變時，如果正、逆反應速率不再相等，化學平衡將發生改變(平衡發生移動)。
(4)化學平衡狀態的特征
逆:
等:
動:
定:
變:
二、化學反應的限度
思考：如何判斷可逆反應是否已達到平衡狀態？
分析：從化學平衡的概念入手
化學平衡的標志
(1)正反應速率與逆反應速率相等
(2)反應物濃度和生成物濃度都不再改變
等
定
化學平衡強調的兩個方面：
二、化學反應的限度
三、化學平衡的判斷
(1)動態標志: v正＝v逆≠0
①同種物質:
②不同物質:
必須標明是“異向”的反應速率關系
同一物質的生成速率等于消耗速率
(2)靜態標志：各種“量”不變
①各物質的質量、物質的量或濃度保持不變
如：aA(g)＋bB(g) cC(g)＋dD(g)，
當v正(A) : v逆(B)＝ 時，反應達到平衡狀態
a : b
二、化學反應的限度
②各物質的百分含量(物質的量分數、質量分數、體積分數)不變。
(2)靜態標志：各種“量”不變
①各物質的質量、物質的量或濃度保持不變
③溫度、壓強、顏色保持不變
判斷可逆反應是否達到化學平衡狀態的方法
—— 異向相等、變量不變
二、化學反應的限度
(3)綜合分析
舉例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 狀態
混物體系中合各組分的含量 各物質的質量或 各物質的質量分數一定
各氣體的體積或體積分數一定
總物質的量、總壓強一定
平衡
平衡
不一定平衡
m + n ≠ p + q (非等體反應) 平衡
m + n＝p + q (等體反應) 不平衡
三、化學平衡的判斷——異向相等、變量不變
二、化學反應的限度
舉例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 狀態
正逆反應 速率關系 在單位時間內消耗了m molA，同時生成m molA，即v正=v逆
在單位時間內消耗了 n molB, 同時生成 p molC
vA : vB : vC : vD = m : n : p : q, v正不一定等于v逆
在單位時間內生成了 n molB， 同時消耗了 q molD
(續表)
平衡
不一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
二、化學反應的限度
舉例 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g) 狀態
混合氣體的平均相對分子質量() 一定，當m+n≠p+q時
一定，當m+n＝p+q時
溫度 體系溫度一定(假設體系與環境無能量交換)
密度 密度一定
顏色 含有有色物質的體系 顏色不再變化
(續表)
平衡
不一定平衡
平衡
不一定平衡
平衡
二、化學反應的限度
練、下列的說法中可以證明反應: H2(g) +I2(g) 2HI(g)
已達平衡狀態的是________
(1)單位時間內生成n molH2的同時生成n mol HI；
(2)一個H H鍵斷裂的同時，有兩個H I鍵斷裂；
(3)質量分數：w(HI) = w(I2)；
(4) c(HI) : c(H2) : c(I2) = 2 : 1 : 1；
(5)溫度和體積一定時，容器內壓強不再變化；
(6)條件一定，混合氣體的平均相對分子質量不再變化；
(7)溫度和壓強一定時，混合氣體的顏色不再發生變化；
(8)溫度和壓強一定時，混合氣體的密度不再變化。
(2)、(7)
二、化學反應的限度
練、在一定溫度下密閉容器中進行的反應2SO2+O2 2SO3
下列說法中能說明已經達到化學平衡的是( )
①2v(O2)生成＝v(SO2)消耗
②SO2、O2、SO3的濃度之比為 2∶1∶2
③單位時間內消耗 1 mol O2 ，同時生成 2 mol SO3
④混合氣體的壓強不變。
A. ①④ B. ②③ C. ①②③④ D. ①③④
A
練、判斷：對于可逆反應
NH2COONH4(s) 2NH3(g)＋CO2(g)，當NH3的體積分數保持不變時，該反應達到化學平衡狀態。
二、化學反應的限度
1、控制反應條件的意義
(1)促進有利的化學反應
(2)抑制有害的化學反應
提高反應速率
提高原料的利用率
降低反應速率
控制副反應的發生
減少甚至消除有害物質的產生
三、化學反應條件的控制
2、控制反應條件的基本措施
通過改變影響化學反應速率的外界因素(溫度、濃度、壓強等)，可以調控反應速率、改變可逆反應的限度，進而提高反應轉化率。
3、化工生產控制反應條件的原則
如：N2(g)＋H2(g) 2NH3(g)
原則：考慮控制反應條件的成本和實際可行性
選擇：400~500oC、 10~30MPa
三、化學反應條件的控制
4、案例分析：“提高煤的燃燒效率”
(1)煤的狀態：
(4)熱量的利用：
(2)空氣用量：
(3)爐膛溫度的材料：
煤研得越細，與空氣中氧氣的接觸面積越大，燃燒越充分，反應速率越大。
適量的空氣有利于煤的燃燒，過多的空氣會帶走大量的熱量；少量的空氣會使煤燃燒不充分
采用隔熱的耐高溫材料
廢氣中的熱量可用于供暖和發電等
三、化學反應條件的控制

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