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專題6
化學反應與能量變化
第一單元
化學反應速率與反應限度
化學反應是一個有新物質生成的過程。在不同的化學反應中，反應進行的快慢不同，這是反應速率問題；投入的反應物轉變為生成物的程度有多大，這是反應限度問題。在生產與生活中，化學家探索并掌握化學反應速率和反應限度的有關規律，能依據實際需要更合理地調控反應，從而更好地為人類服務。
化學反應速率
不同化學反應進行的快慢程度不同。爆炸反應幾乎能在瞬間完成；食物腐敗和鋼鐵生銹則較為緩慢，一般需要數日或數月：溶洞中鐘乳石和石筍的形成則極為緩慢，在短時間內無法觀察到明顯的變化。
爆炸
鐵銹
石巖溶洞
在上述實驗中可以觀察到，兩支試管中氣泡產生的快慢有所不同，鎂與鹽酸的反應比鐵更快。化學反應的快慢通常用化學反應速率來定量表示。

(1)含義：
(2)表示方法：
(3)計算式:
(4)單位：
單位時間內反應物濃度的減少量或生成物濃度的增加量。
mol/(L·min) 或 mol/(L·s)
mol ·L-1 ·s-1
mol ·L-1 ·min-1 或
v(B)=
Δc(B)
Δt
V·△t
=
△n(B)
￣￣￣
（V指的是容器的體積）
用來衡量化學反應過程進行快慢程度的物理量
例如，在一定條件下，某過氧化氫溶液 (即雙氧水)放置100 min后，H2O2的濃度從5×10-2mol·L-1下降到4×10-2mol·L-1，則在這100 min中，H2O2的濃度減少了1×10-2mol·L-1。在此過程中，H2O2分解反應的平均速率是1×10-4mol·L-1·min-1。
在2L的密閉容器中，加入2mol N2和6mol的H2，在5min末時，測得容器中含有0.2mol的NH3，求N2的平均反應速率是多少？H2和NH3的平均反應速率又分別是多少？通過計算，比較三者速率有何聯系？
起始物質的量（mol） 2 6 0
變化物質的量（mol） 0.1 0.3 0.2
5 min后物質的量（mol）
v（N2）：v（H2）：v（NH3）=1：3：2
（反應速率的比=方程式系數比）
N2+3H2 2NH3
催化劑
高溫、高壓
注意：
1.關系式法：化學反應速率之比＝物質的量濃度的變化之比＝物質的量的變化量之比＝化學計量數之比。
2.在同一化學反應里，用不同的物質表示的反應速率可能不同，但意義相同，所以描述反應速率時必須指明具體的物質。
3.固體或純液體的濃度視為常數，Δc＝0，因此不用固體或純液體表示化學反應速率。
下列關于化學反應速率的說法正確的是(　　)
A．對于任何化學反應來說，反應速率越大，反應現象就越明顯
B．化學反應速率通常表示一定時間內任何一種反應物濃度的減少或任何一種生成物濃度的增加
C．化學反應速率為0.8 mol·L－1·s－1是指1 s時某物質的化學反應速率為0.8 mol·L－1·s－1
D．根據化學反應速率的大小可以知道化學反應進行的快慢
D
反應 A (g)+ 3B(g) = 2C(g) + 2D(g) 在四種不同條件下的反應速率為:
(1)v(A)=0.3mol/L·s (2)v(B)=0.6mol/L·s (3)v(C)=0.4mol/L·s (4)v(D)=0.45mol/L·s
則該反應速率的快慢順序為 。
(1)>(4)>(2)=(3)
我們已經知道，對于金屬與鹽酸的反應，即使使用的鹽酸濃度和體積相同、金屬片的形狀和大小也相同，只改變金屬片的材質，化學反應速率也會出現較大的差異。由此可見，化學反應速率會受到反應物自身性質的影響。對于特定的某個化學反應而言，它的反應速率也不是一成不變的，還會受到其他多種外界因素的影響。
影響化學反應速率的因素
反應物的化學性質越活潑，化學反應速率越快；反之，化學反應速率越慢。
(1)內因：物質本身的性質
(2)外因：
影響因素 影響結果
濃度 在其他條件相同時，增大反應物濃度，v加快；減小反應物濃度，v減慢
溫度 在其他條件相同時，升高溫度，v加快；降低溫度，v減慢
壓強 在其他條件相同時，增大氣態反應物的壓強，v加快；減小氣態反應物的壓強，v減慢
催化劑 在其他條件相同時，使用合適的催化劑能極大地加快反應速率
在上述實驗中，加入MnO2，(或FeCl3溶液)作為催化劑、加熱H2O2溶液或增加H2O2的濃度，都能加快氣泡的產生，即增大了化學反應速率。可見，催化劑、反應溫度和反應物濃度都是影響反應速率的外界因素。一般來說，其他條件相同時，加入催化劑能顯著地增大反應速率；反應的溫度越高，反應速率越大；反應物的濃度越大，反應速率越大。此外，對于有氣體參加的反應，反應體系的壓強越大，反應速率越大。
塊狀、粉末狀的大理石分別與相同濃度的鹽酸反應，反應速率有顯著差異。可見，增大反應物的接觸面積，能增大反應速率。此外，光照等條件對一些化學反應的速率也有一定影響。
控制變量法
受多種因素影響的問題往往比較復雜。科學家為簡化對這類問題的研究，每次只改變其中的一個因素，而控制其余幾個因素不變，研究被改變的因素對事物發展的影響。這樣，就將多因素問題拆解為多個單因素問題分別開展研究，化繁為簡，再進行綜合分析，最后得出結論。這種方法稱為控制變量法。
控制變量法是科學探究中非常重要的思想方法，廣泛應用于化學、物理學、生物學等學科的研究中。例如，化學反應速率受反應物濃度(或氣體壓強)、溫度、催化劑、反應物的表面積等多種因素的影響。研究者在其他條件不變的情況下，分次改變其中一個因素進行實驗，即可分別得出濃度、溫度、催化劑、反應物的表面積等條件對化學反應速率影響的結論。
實驗室用鋅和稀硫酸反應制取氫氣。下列措施可使反應速率減慢的是（ ）
向稀硫酸中加水 B. 增加鋅粒量
C. 用鋅粉代替鋅粒 D. 升高反應溫度
A
用下列方法制取氫氣，反應速率最大的是（ ）
A. 冬天，塊狀鋅與2 mol·L-1 硫酸溶液反應
B. 冬天，粉末狀鋅與2mol·L-1硫酸溶液反應
C. 夏天，塊狀鋅與2mol·L-1硫酸溶液反應
D. 夏天，粉末狀鋅與2mol·L-1硫酸溶液反應
D
化學反應的限度
我們已經知道，在常溫下氯氣能溶解于水，得到的氯水中既含有Cl2、H2O、HClO分子，也含有H+、Cl-、ClO-等離子。這說明溶解的C12只有一部分與水發生了化學反應，它們的反應只能進行到一定的限度，用化學方程式表示為:


拓展視野

在上述實驗中，少量FeCl3溶液與過量KI溶液反應。從充分反應的溶液中分離出I2單質后，加人KSCN溶液仍然能檢測到Fe3+的存在，說明Fe3+并未完全轉化為Fe2+。由此可見，FeCl3和KI的反應沒有完全進行到底，該反應有一定的限度。
事實上，像這樣有一定限度的化學反應還有很多，它們都是可逆反應，反應物不能完全轉化為生成物。如SO2與O2在一定條件下合成SO3的反應，就是可逆反應，見下圖。
SO2與O2生成SO3的可逆反應
(1)定義：
在同一條件下，既能向正反應方向進行，同時又能向逆反應方向進行的反應。
典型的可逆反應有:
N2+3H2 2NH3
催化劑
高溫、高壓
2SO2+O2 2SO3
催化劑
高溫
SO2 +H2O H2SO3
NH3 +H2O NH3 ·H2O
H2 + I2 2HI
正反應
逆反應
可逆反應
(2)特點：
反應物不能完全轉化為生成物，即可逆反應有一定的限度。
同一條件，同時發生，同時存在
下列關于工業合成氨反應的說法正確的是（ ）
A. 升高體系溫度能加快反應速率
B. 降低N2的濃度能加快反應速率
C. 使用催化劑不影響反應速率
D. 反應若在密閉容器中進行，N2和H2能100%轉化為NH3
A
化學平衡狀態
在上述SO2與O2的反應中，一定條件下向反應器中充入SO2和O2，剛開始SO2與O2的濃度很大，而SO3的濃度為零，反應正向進行。隨著反應的進行，SO2與O2的濃度逐漸減小，正反應的速率減小；SO3的濃度逐漸增大，逆反應的速率增大。當正、逆反應的速率相等時，反應物和生成物的濃度不再發生變化，反應達到化學平衡狀態。
在高溫、高壓和催化劑存在條件下，氮氣和氫氣發生反應生成氨氣。無論反應時間多長，在反應容器中總是同時存在氮氣、氫氣和氨氣。請參考下圖，描述從反應開始至平衡時各物質濃度的變化和正、逆反應速率的變化。
速率判定：
v正 = v逆
①同種物質：v正(A)=v逆(A)
②不同物質：v正(A)與v逆(B)之比等于它們系數之比
判斷到達平衡狀態的標志
可逆反應達到化學平衡后，反應混合物的組成保持不變，但是正、逆反應仍在進行，因此化學平衡是一種動態平衡。當反應條件發生改變時，如升高反應的溫度等，原有的化學平衡狀態會被打破，一段時間后反應會達到新的平衡狀態。
變量不變：
反應體系中各物質的濃度、質量、質量分數、物質的量、保持不變時為平衡狀態。
反應體系的平均摩爾質量、混合氣體的密度、顏色保持不變時，要根據具體情況判斷是否為平衡狀態。
特征：
③動：
動態平衡（v(正)= v(逆) ≠0）
②等：
v(正)= v(逆)
④定：
各組分的濃度和含量保持不變。
⑤變：
條件改變，原平衡被破壞，在新的條件下建立新的平衡。
①逆:
可逆反應
化學平衡觀念
化學平衡具有豐富的思想內涵。
化學反應達到平衡，宏觀上表現為“靜止”狀態，反應物和生成物其實仍在不斷進行更新，只是同一物質生成和消耗的量相等，即正、逆反應速率相等，但不為零，表現出化學平衡的動態性。這說明事物的表象與本質之間有時存在較大差異，停留于事物的表面容易得出片面乃至錯誤的結論。只有探索事物本質，才能對事物具有更為深刻、全面的認識。
從反應物與生成物變化的角度看，正反應消耗反應物，積累生成物：逆反應積累反應物，消耗生成物。正、逆反應相互削弱，又共處于同一化學平衡體系中，對立而又統一。
從化學平衡的角度看，正、逆反應的對立統一關系使化學反應具有一定的限度，在一定條件下達成平衡。但這種平衡又是暫時的、相對的，溫度、壓強、濃度等條件的改變可能會打破化學平衡，從而達到新的平衡。這說明改變外界條件能促進事物的進一步發展。
思考交流
對有利于我們的或我們需要的化學反應，要想辦法增大反應速率，并提高原料的利用率或轉化率。
對有害于我們的或我們不需要的化學反應,要設法降低反應的速率，或隔離會引起反應的物質。
對應用于特定環境下及特殊需要的化學反應，則需要對反應的條件進行特殊的控制。
完成課后相關練習

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