資源簡介

(共58張PPT)
選 擇 性 必 修 一
學
化
J
S
第一單元 化學反應速率
2 影響化學反應速率的因素
反應物濃度、溫度、壓強、催化劑、反應物接觸面積等
內因：
外因：
反應物本身的性質是化學反應速率的決定性因素
溫故知新
化學反應速率受哪些因素的影響？試舉出實例加以說明。
科學研究表明，對于特定的化學反應，除了反應物自身的性質外，反應物的濃度、反應體系的溫度、壓強和催化劑等都會影響化學反應速率。人們利用冰箱保存食物，控制溫度提高發酵的速率，鼓入更多的空氣以加快燃料的燃燒等，都是通過改變反應條件來改變反應速率。為了更好地利用化學反應，人們需要解決以下問題：改變反應條件能使反應速率發生什么變化？為什么改變反應條件能改變反應速率？以下通過實驗進一步進行研究。
濃度對反應速率的影響
觀察思考
硫代硫酸鈉溶液與稀硫酸發生下列反應：
向A、B、C三支試管中各加入2 mL不同濃度的硫代硫酸鈉溶液，濃度依次為0.1 mol·L－1、0.05 mol·L－1、0.01 mol·L－1，再同時各加入2 mL 0.2 mol·L－1稀硫酸，觀察并比較試管中出現渾濁現象的快慢。
實驗現象：
實驗結論：
注意：此規律只適用于氣體或溶液的反應，不適用純固體或液體的反應物，因此改變它們的量不會改變化學反應速率。
理論和實驗研究表明，其他條件相同時，增大反應物的濃度，反應速率增大；減小反應物的濃度，反應速率減小。
拓展視野
碰撞理論是一種較直觀的反應速率理論。該理論認為，反應物分子間必須相互碰撞才有可能發生反應，反應速率的大小與單位時間內反應物分子間的碰撞次數成正比。但是，不是每次碰撞都能發生反應。能發生反應的碰撞稱為有效碰撞。有效碰撞必須滿足兩個條件：一是發生碰撞的分子具有足夠高的能量，二是分子在一定的方向上發生碰撞。
碰撞理論
反應物分子間的碰撞
能夠發生化學反應的碰撞
有效碰撞
不能發生化學反應的碰撞
無效碰撞
1.分子有足夠高的能量
2.分子在一定的方向碰撞
化學反應中，能量較高、有可能發生有效碰撞的分子稱為活化分子。活化分子的平均能量與所有分子的平均能量之差稱為活化能。當增加反應物的濃度時，單位體積內反應物的活化分子數目增多，反應物發生有效碰撞的次數增多，反應速率增大。
許多化學反應的過程較為復雜，反應物往往不是一步轉化為生成物的。化學家用最簡單的化學反應模型來說明反應發生的過程。反應物分子經過一次碰撞就轉化為產物分子的反應，稱為基元反應。例如，NO2＋CO=NO＋CO2就是基元反應。反應物NO2分子和CO分子經過一次碰撞就轉變成產物NO分子和CO2分子，反應過程中沒有任何中間產物生成。
許多反應的化學方程式看似簡單，卻不是基元反應，而是經過兩個或多個步驟完成的復雜反應。例如，H2(g)＋I2(g)=2HI(g)，經歷了如下兩步基元反應：
I2=2I H2＋2I=2HI
每個基元反應都有對應的活化能，反應的活化能越大，活化分子所占比例越小，有效碰撞的比例也就越小，化學反應速率越小。因此，化學反應速率的理論只適用于基元反應。
活化分子的平均能量
所有分子的平均能量
活化能
能量
活化能越大，活化分子所占的比例越小，有效碰撞的比例也就越小，化學反應速率越小。
影響
外因 單位體積內 活化分子百分數 有效碰撞次數 化學反應速率
分子總數 活化分子數
增大反應物濃度
增加
增加
增加
加快
不變
普通分子
思考：如何用碰撞理論解釋濃度對速率的影響？
壓強對反應速率的影響
交流討論
在化學反應中，若反應物分別以氣體、液體或固體三種狀態存在，改變反應體系的壓強，反應物的濃度是否都發生變化呢？
其他條件不變，對于有氣體參加的反應，增大壓強，對化學反應速率有何影響？
(1)縮小反應容器的體積
影響
外因 單位體積內 活化分子百分數 有效碰撞次數 化學反應速率
分子總數 活化分子數
增大壓強
(體積減小)
增加
增加
增加
加快
不變
(2)容器體積不變，充入反應物氣體。
反應物濃度增大，單位體積內活化分子數增多，化學反應速率加快。
討論1：取一個容積固定的密閉容器，充入氣體Ar，對化學反應速率有何影響？
總氣壓增大
但反應物濃度不變
速率不變
Ar分子
討論2：在恒壓條件下，向容積可變的容器中充入惰性氣體，分析化學反應速率的變化情況。
Ar分子
總氣壓不變
但 反應物濃度下降
速率降低
對于有氣體參加的反應，在密閉容器中保持溫度不變時，增大壓強，氣體體積減小，相當于增大反應物的濃度，反應速率增大；減小壓強，氣體體積增大，相當于減小反應物的濃度，反應速率減小。
壓強改變→氣體反應物濃度不變→反應速率不變
由此可見，壓強改變對反應速率的影響可以歸結為濃度改變對反應速率的影響。對于固體、液體之間或在溶液中進行的反應而言，改變壓強對它們體積的影響很小，因此可以忽略壓強改變對反應速率的影響。
溫度對反應速率的影響
觀察思考
酸性高錳酸鉀溶液與草酸（H2C2O4）發生下列反應：
取3支試管，向試管中分別加入2 mL 0.01 mol ·L－1酸性高錳酸鉀溶液，再向試管中分別加入2 mL 0.1 mol ·L－1草酸溶液。將第一支試管放入冰水中，第二支試管置于室溫下，第三支試管放入約80 °C的熱水中。請預測：能觀察到什么現象？三種情況下反應的實驗現象會有什么差異？請用實驗檢驗你的預測。
現象預測：
實驗現象：
實驗結論：
思考：如何用碰撞理論簡單解釋溫度對反應速率的影響？
實驗表明，其他條件相同時，升高溫度，反應速率增大；降低溫度，反應速率減小。
影響
外因 單位體積內 活化分子百分數 有效碰撞次數 化學反應速率
分子總數 活化分子數
升高溫度
不變
增加
增加
加快
增加
升高溫度
隨著溫度的升高，反應物的活化分子數目增多，分子運動加快，活化分子有效碰撞的次數增多，反應速率增大。科學研究表明，對于許多反應而言，一般溫度每升高10 K，其反應速率可增加2~4倍。在實驗室或工業生產中，常采用加熱的方法使化學反應在較高的溫度下進行，以提高反應速率。
思考：對于一個可逆反應C+CO2 2CO(正反應吸熱) ，升高溫度，正反應速率和逆反應速率將怎樣變化？
同一個體系中，升高溫度，正反應反應物(C+CO2)活化分子比例增加，同時逆反應反應物(CO)活化分子比例也升高，反應速率均增大。
V正和V逆均增大
單位體積活化分子數目
有效碰撞次數
反應速率
增大反應物的濃度
升高溫度
增大壓強減小體積
增多
增多
增大
催化劑對反應速率的影響
觀察思考
向A、B、C 3支試管中分別加入等體積5%的 H2O2溶液，再向試管中分別加入2~3滴洗滌劑。向試管A中加入2~3滴FeCl3溶液，向試管B中加入少量MnO2粉末，C試管留作比較用。觀察、比較3支試管中發生的實驗現象，并試著分析導致實驗現象差異的原因。
根據另一種常用的反應速率理論（過渡態理論），反應物轉化為生成物的過程中要經過能量較高的過渡狀態。過渡狀態的平均能量與反應物分子的平均能量的差為反應的活化能。
圖2-8中，Ea為正反應的活化能，Ea′為逆反應的活化能。化學反應速率與反應的活化能大小密切相關，活化能越小，反應速率越大。
實驗表明，催化劑對化學反應速率有顯著影響。催化劑是通過降低化學反應所需的活化能來增大反應速率
的。如圖2-9所示，有催化劑參與的反應，
活化能（Ea1）較小，則反應速率較大；
而沒有催化劑參與的反應，活化能（Ea2）
較大，則反應速率較小。
影響
外因 單位體積內 活化分子百分數 有效碰撞次數 化學反應速率
分子總數 活化分子數
使用適當催化劑
不變
增加
增加
增加
增加
用碰撞理論解釋催化劑對速率的影響
拓展視野
每一個化學反應自開始后所經歷的過程稱為反應歷程。研究表明，許多反應的反應歷程較為復雜，反應物并不能直接一步轉化為生成物。化學家提出了“基元反應”的模型，說明了有效碰撞與活化分子的關系，進而明確了反應的活化能對基元反應速率的影響。
基元反應模型與化學反應速率研究
由正、逆反應的活化能圖示（圖2-8）可知，基元反應的逆反應也是一步即可完成的基元反應，并且經過同一個“過渡狀態”。基元反應模型可以解釋化學反應的能量變化，
可近似地估算出反應的焓變ΔH，還可
以解釋濃度、溫度、催化劑對反應速率
的影響。
復雜反應中的速率控制步驟往往決定了該反應的速率。如2NO＋O2=2NO2不是基元反應。根據實驗現象，化學家提出了由三步構成的反應模型：
① 2NO=N2O2（快）
② N2O2=2NO（快）
③ N2O2＋O 2=2NO2（慢）
其中，第一步反應的產物N2O 2是第二、第三步的反應物。依據反應模型的理論計算表明，慢反應③是決定整個反應速率的關鍵步驟。
催化劑是改變化學反應速率最有效的手段之一。據統計，90%以上的化學工業涉及的化學反應都使用催化劑，使用催化劑可以帶來巨大的經濟效益。在環境保護領域，如汽車尾氣的凈化、廢水的處理等，也需應用各種性能優異的催化劑。目前，各種高效、經濟、選擇性強的催化劑的研制是全世界化學科學工作者關心和研究的課題。
跨學科鏈接
酶是一種特殊的、具有催化活性的生物催化劑，它存在于動物、植物和微生物中。與生命現象關系密切的化學反應大多是酶催化的。可以說，沒有酶的催化作用，就不可能有生命現象。
酶的催化作用
通常認為，酶的催化作用是酶與反應物先形成中間化合物，然后中間化合物分解成產物并釋放酶（圖2-11）。
與一般非生物催化劑相比，酶的催化作用主要有以下特點：
1. 高效的催化活性。酶的催化效率比非酶催化要高得多。如在人體正常體溫時，食物中蛋白質的水解在胃蛋白酶的作用下短時間內就能完成，而在體外需要在濃的強酸或強堿的作用下煮沸相當長時間才能完成。
2. 高度的選擇性。一種酶只能催化一種或一類物質的反應。如淀粉酶只能催化淀粉的水解，而不能催化纖維素的水解；尿素酶只能催化尿素的水解，對尿素取代物的水解反應無催化作用。
3. 特殊的溫度效應。酶對溫度非常敏感。酶催化反應通常在比較溫和的條件或常溫常壓下進行，溫度過高會引起酶蛋白變性，從而使酶失去活性。
其他因素對反應速率的影響
除了改變反應物的濃度、壓強、溫度和使用催化劑能改變化學反應速率外，許多方法也能改變反應速率。如增大反應物間的接觸面積，反應速率會隨之增大。例如，在硫酸工業中，硫鐵礦在焚燒前要先用粉碎機粉碎，以增大礦石與氧氣的接觸面積，加快燃燒；在三氧化硫的吸收階段，吸收塔里要裝填瓷環，增大氣液接觸面積，使氣體的吸收速率增大。此外，光、電磁波、超聲波等因素也會對反應速率產生影響。
復雜反應的控速步驟
NO氧化反應2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)分兩步進行：
I．2NO(g) N2O2(g) （快）；
II．N2O2(g)+O2(g) 2NO2(g) （慢）
反應慢的基元反應是決定整個反應的關鍵步驟
學以致用
請依據影響化學反應速率的因素，與同學交流討論以下問題。
1. 工業上用氮氣與氫氣反應合成氨時，常在高溫、高壓下進行，并使用適當的催化劑。這些條件對合成氨的反應速率有何影響？
2. 在燃燒木柴時，若使用較細的木柴，并將木柴架空，則木柴的燃燒會更旺。為什么？
3. 將食品置于低溫條件下，常常可以保存更長時間。為什么？
4. 實驗室通過分解雙氧水的反應制取氧氣時，常加入少量二氧化錳。為什么？
在化學實驗和化工生產中，人們常根據實際需要綜合考慮影響化學反應速率的因素，通過調控化學反應的條件，使化學反應按預期的速率進行。
學科提煉
化學反應為何有快有慢？影響化學反應速率的主要因素有哪些？我們可以從事物變化的內因和外因兩方面辯證地分析和研究。
化學反應速率的辯證分析與合理應用
一是內因，即物質的本性。在通常情況下，有些物質混合后沒有發生化學變化，但改變其中的某種反應物，化學反應隨之發生，如銀與稀鹽酸不反應，而鋅與稀鹽酸混合立即產生氫氣，這是由兩種不同金屬的本性決定的，即鋅是較活潑金屬，而銀不活潑。在相同條件下，同類型的某些反應物能轉化為同類型的產物，但反應速率差異很大，如鎂在冷水中反應生成氫氧化鎂，過程緩慢，而鈉遇冷水劇烈反應生成氫氧化鈉。
二是外因。化學反應速率受制于許多外界條件的影響，我們可以根據反應物的性質和反應的特點（即內因）選擇恰當的反應條件（外因）來調控反應速率。例如，鎂與水的反應可以通過升高溫度來增大反應速率，實驗室用大理石與鹽酸反應制CO2可以通過調節鹽酸的濃度控制生成CO2的速率不至于過小或過大，H2O2分解制O2時可以加入少量MnO2增大反應速率。
因此，我們可以通過內因、外因兩方面的分析，合理地調控化學反應速率，在科學研究和生產、生活中發揮更大的作用。例如，不少國家曾用銅做硬幣材料，20世紀80年代因銅太昂貴需要尋找替代金屬。鋅與銅的硬度、密度接近，且鋅比銅便宜，鋅便成為首選金屬。但鋅比銅更活潑，鋅制的硬幣在空氣中被腐蝕的速度較快，很快鋅也被放棄而改用銅鋅合金。
又如，對氣體反應合成氨而言，工業上通常是在較高溫度（500 °C左右）、較大壓強（1.3×107 ~3×107 Pa）和含鐵化合物的催化劑條件下進行，以保證有較大的反應速率。目前環境問題的解決也依賴于催化劑的使用，如在汽車尾氣排氣口裝上催化處理器，能將有毒氣體轉化為無毒氣體；生物降解催化劑能促進一些工業廢品或生活垃圾中的部分殘留物顯著降解，而不對環境造成污染，甚至可以將工業和生活廢物較快地轉化為可利用資源等。
1.對于在溶液中進行的反應，對反應速率影響最小的因素是（ ）
A.溫度 B.濃度 C.壓強 D.催化劑
C
課堂訓練
2.下列條件的變化，是因為降低反應所需的能量而增加單位體積內的反應物活化分子百分數致使反應速率加快的是（ ）
A.增大濃度 B.增大壓強
C.升高溫度 D.使用催化劑
D
3.設C+CO2 2CO(正反應吸熱)反應速率為v1；
N2 + 3H2 2NH3(正反應放熱)反應速率為v2。
對于前述反應，當溫度升高時，v1和v2變化情況為（ ）
A.同時增大 B.同時減小
C.v1減少，v2增大 D. v1增大，v2減小
A
4.下列說法中錯誤的是（ ）
A. 碰撞分子具有足夠能量和適當取向時,才能發生化學反應
B.發生有效碰撞的分子一定是活化分子
C.活化分子間的碰撞一定是有效碰撞
D.活化分子間每次碰撞都發生化學反應
E.能發生有效碰撞的分子必須具有相當高的能量
F.活化能指活化分子多出反應物分子能量的那部分能量
G.使用催化劑能改變分子的活化能
H.催化劑能使不起反應的物質間發生反應
C、D、H
5.將一定濃度的鹽酸倒入裝有塊狀碳酸鈣固體的燒杯中，若作如下改變，其中能使最初的化學反應速率增大的是_______。 　
A.鹽酸的濃度不變，而使鹽酸的用量增加一倍
B.鹽酸的濃度增大一倍，但鹽酸的用量減少到原來的一半
C.鹽酸的濃度和用量都不變，增加碳酸鈣的質量
D.鹽酸和碳酸鈣不變，增大壓強
E.將塊狀CaCO3用CaCO3粉末代替
B、E　
看
觀
謝
謝

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