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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
課時1 化學反應的速率
課堂導入
在化學反應的研究和實際應用中，人們除了選擇合適的化學反應以實現所期待的物質轉化和能量轉化，還要關注化學反應進行的快慢和程度，以提高生產效率。
在化學實驗和日常生活中，我們能夠發現有的化學反應進行得很快，比如爆炸和燃料燃燒，有的化學反應則進行得很慢，比如鐵鍬生銹和牛奶變質。
我們如何能夠描述反應的快慢？
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化學反應的速率
若只是定性研究的角度，是否可以通過反應現象的差別來比較速率？
若是需要進行定量分析，應當怎么描述反應速率呢？
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化學反應的速率
速率這個詞我們并不陌生，初中物理中有接觸過，你能根據物理中速率的定義和定義式推測出化學反應速率的定義和定義式嗎？
速率是衡量物體運動快慢的物理量，即單位時間內物體運動的路程。
s
v = ——
t
定義：化學反應速率是用來衡量化學反應過程進行快慢程度的物理量，通常以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。
Δc Δn
v = —— = ——
Δt VΔt
單位：
mol/(L·s)
mol·L-1·min-1
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化學反應的速率
注意事項：
反應速率只有正值，沒有負值；
反應速率指的是一段時間的平均速率，而不是某一時刻的瞬時速率；
固體和純液體的濃度為常數，Δc=0，因此不用固體或純液體的濃度表示化學反應速率；
在同一化學反應中，用不同的物質表示的反應速率可能不同，但意義是相同的，故描述化學反應速率時必須指明具體的物質，v(A)便是用A表示的化學反應速率；
對于同一個反應，用不同物質表示化學反應速率時，化學反應速率之比=化學計量數之比。
為什么化學反應速率之比和化學計量數之比是相等的呢，我們可以通過實際例子和相關理論來推算。
Δc Δn
v = —— = ——
Δt VΔt
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化學反應的速率
對于反應4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O來說，在2L的剛性容器中通入6molNH3和7molO2，經過10s后，NH3的物質的量變化了4mol，請計算v(NH3)、v(O2)、v(NO)，并思考幾種物質反應速率之間的關系。
起始物質的量(mol)： 6 7 0
結束物質的量(mol)： 2 2 4
變化物質的量(mol)： 4 5 4
三段式
v(NH3) = 0.2mol·L-1·s-1
v(O2) = 0.25mol·L-1·s-1
v(NO) = 0.2mol·L-1·s-1
Δc Δn
v = —— = ——
Δt VΔt
根據計算結果可知，反應速率之比=系數之比，若是對于反應aA + bB = cC +dD呢？
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化學反應的速率
了解化學反應速率的含義之后，應當如何定量的比較化學反應速率的大小呢？
①“化物質”：將不同物質的化學反應速率轉化成同一物質的化學反應速率，或分別除以相應物質的化學計量數，所得數值大的速率大。
例如：對于反應aA(g) + bB(g) = cC(g) +dD(g)來說，若 v(A) /a > v(B) / b，則證明用A表示反應速率的反應快于用B表示反應速率的反應。
②“化單位”：若化學反應速率的單位不一致，需轉化為同一單位。
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反應：3A(g) + B(g) = 2C(g) + 2D(g)，在不同條件下，用不同物質表示其反應速率，分別為
① v(A)＝0.60 mol·L-1·min-1
② v(B)＝0.45 mol·L-1·min-1
③ v(C)＝0.15 mol·L-1·min-1
④ v(D)＝0.45 mol·L-1·min-1
則此反應在不同條件下進行最快的是 ( )
A.③ B.① C.④ D.②
D
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化學反應速率的影響因素
對于右圖的幾個反應，你希望它們的速率是快還是慢？
如食物變質、鋼鐵腐蝕、橡膠老化這些反應，會對生產生活造成不便，我們希望速率越慢越好，而如工業煉鋼、合成氨氣這些對生產生活有益的反應，我們自然希望速率越快越好。
實際上，化學反應速率的調控常常是決定化學實驗成敗或化工生產成本的關鍵，那我們可以從哪些方面影響化學反應速率呢？
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化學反應速率的影響因素
探究催化劑對化學反應速率的影響
實驗操作：
取兩只大小相同的潔凈試管，均加入2mL 5% H2O2溶液，然后向其中一只試管中加入幾滴FeCl3溶液，觀察實驗現象并進行對比。
實驗現象：
沒有加入FeCl3溶液的試管氣泡產生速率明顯慢于加入FeCl3溶液的試管。
實驗結論：
FeCl3溶液可以催化H2O2溶液的分解，正催化劑能加快反應速率。
與之相對，負催化劑可以減慢反應速率。
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化學反應速率的影響因素
探究溫度對化學反應速率的影響
實驗操作：
取兩只大小相同的潔凈試管，均加入2mL 5% H2O2溶液，然后加入幾滴FeCl3溶液，一只放在冷水中，一只放在熱水中，觀察實驗現象并進行對比。
實驗現象：
放入熱水中的試管氣泡產生速率明顯快于放入冷水中的試管。
實驗結論：
溫度會影響化學反應速率，溫度越高，反應速率越快。
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化學反應速率的影響因素
探究濃度對化學反應速率的影響
實驗操作：
取兩只大小相同的潔凈試管，加入等量的大理石碎塊，然后向一只試管中加入2mL 0.1mol/L的鹽酸，另一只中加入2mL 1mol/L的鹽酸，觀察實驗現象并進行對比。
實驗現象：
加入1mol/L鹽酸的試管氣泡產生速率明顯快于加入0.1mol/L鹽酸的試管。
實驗結論：
濃度會影響化學反應速率，濃度越高，反應速率越快。
注意事項：固體和純液體的濃度為常數，改變它們的量不能改變反應速率。
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化學反應速率的影響因素
探究接觸面積對化學反應速率的影響
實驗操作：
取兩只大小相同的潔凈試管，分別加入1g的塊狀大理石和粉末狀大理石，然后均加入10mL 3mol/L的鹽酸觀察實驗現象并進行對比。
實驗現象：
加入粉末狀大理石的試管氣泡產生速率明顯快于加入塊狀大理石的試管。
實驗結論：
接觸面積會影響化學反應速率，接觸面積越大，反應速率越快。
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化學反應速率的影響因素
若是對于氣體而言，壓強大小會影響氣體的體積，那么改變壓強會不會改變濃度從而影響反應速率呢？
壓強影響反應速率的實質是通過濃度實現的，因此改變壓強時，只有導致參加反應的氣體濃度改變的因素，才會改變反應速率。
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化學反應速率的影響因素
除了上述因素外，等質量的鋅塊和鐵塊等金屬與同體積同濃度的酸進行反應是速率相同嗎，原因是什么？
決定化學反應速率快慢的因素還有反應物自身的性質，這是影響化學反應速率的內因。
除此之外，還有一些其它的因素也能夠影響化學反應速率，比如攪拌時反應速率會加快、形成原電池時反應速率加快、選擇合適的溶劑反應速率會加快等。
根據我們所做的實驗探究，你能總結出科學研究的一般步驟嗎？
例如鋅和稀硫酸反應時通常會加入少量硫酸銅溶液以加快反應速率。
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化學反應速率的影響因素
科學研究的一般思路
控制變量法：科學研究中，對于多因素(多變量)的問題，常常采用只改變其中的某一個因素，控制其它因素不變的研究方法，使多因素問題變成幾個單因素的問題，分別加以研究，最后再將幾個單因素問題的研究結果加以綜合。
例如化學反應速率影響因素的探究
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正誤判斷
1. 改變壓強，反應速率一定改變。
4. 增加水的量可以使鎂和水的反應快于鈉和水的反應。
2. 對于放熱反應，降溫反應速率增大。
3. 鐵和硫酸反應時，為加快反應速率應使用濃硫酸。
×
×
×
×
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反應C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)在一可變體積的容器中進行，則下列條件的改變能使其反應速率減小的是 (　　)
A．減少C的量
B．將容器的體積縮小一半
C．保持溫度和容器體積不變，充入水蒸氣
D．保持溫度和壓強不變，充入氦氣
D
課堂小結
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