資源簡介

6.1第2課時　影響化學反應速率的因素
【學習目標】
1.了解影響化學反應速率的因素,初步了解控制化學反應速率的方法。
2.通過對影響化學反應速率因素的探究,培養學生科學探究與創新意識。
3.能從內因、外因兩方面認識化學反應速率,學會運用控制變量的方法研究影響化學反應速率的因素。
【合作探究】
【學習情境】
對于反應:鋼鐵腐蝕、食物腐敗、煉鋼、合成氨,你是希望其反應速率越快越好還是越慢越好 調控化學反應速率常常是決定化學實驗成敗或化工生產成本的關鍵。有哪些因素能夠影響化學反應速率呢 是什么樣的影響呢
任務1　實驗探究影響化學反應速率的因素
【新知生成】
一、探究影響化學反應速率的因素
1.催化劑、溫度、濃度對H2O2分解反應速率的影響
序號 實驗方案 實驗現象 實驗結論
① 取兩支試管,各加入5 mL 4%的H2O2溶液,用藥匙取少量MnO2粉末,加入其中的一支試管內,觀察并比較兩支試管中氣泡生成的快慢
② 取兩支試管,各加入5 mL 12%的H2O2溶液,將其中一支試管水浴加熱,觀察并比較兩支試管中氣泡生成的快慢
③ 取兩支試管,分別加入5 mL 4%、5 mL 12%的H2O2溶液,再各加入2滴0.2 mol·L-1 FeCl3溶液,觀察并比較兩支試管中氣泡生成的快慢
2.反應物接觸面積對反應速率的影響
實驗方案 實驗現象 實驗結論
取兩支試管,向其中一支加入5 g塊狀大理石,另一支加入5 g粉末狀大理石,再各加入5 mL 4 mol·L-1鹽酸,觀察并記錄實驗現象
二、影響化學反應速率的因素
1.內因:化學反應速率的大小主要取決于　　　　　　　　　　　　　　。
2.外因
一般來說,其他條件相同時:
(1)加入催化劑能顯著地　　　　反應速率;反應的溫度越高,反應速率越　　　　;反應物的濃度越大,反應速率越　　　　。
(2)對于有氣體參加的反應,反應體系的壓強越大,反應速率越　　　　。
(3)增大反應物的接觸面積,能　　　　反應速率。此外,光照等條件對一些化學反應速率也有一定影響。
【答案】一、1.①加MnO2粉末的試管中氣泡生成的速率快
催化劑能增大反應速率　②水浴加熱的試管中氣泡生成的速率快　升高溫度能增大反應速率　③盛放12%的H2O2溶液的試管中氣泡生成的速率快　增大反應物濃度能增大反應速率
2.粉末狀的大理石與鹽酸反應比塊狀的快　增大反應物的接觸面積,能增大反應速率
二、1.反應物自身的性質　2.(1)增大　大　大　(2)大　(3)增大
【核心突破】
典例1　用質量為1.0 g的鋅粉與10 mL 1.0 mol·L-1稀硫酸反應制備氫氣,下列措施能加快制備氫氣速率的是(　　)。
A.將鋅粉換成鐵片
B.對溶液適當加熱
C.將稀硫酸換成98%的濃硫酸
D.增加稀硫酸的用量
【答案】B
【解析】金屬鋅比金屬鐵活潑,且金屬粉末與酸的接觸面積大于金屬片與酸的接觸面積,因此將鋅粉換成鐵片,會減慢制備氫氣速率,A項錯誤;加熱可提高反應溫度,從而加快制備氫氣速率,B項正確;濃硫酸屬于強氧化性酸,與鋅反應生成的是SO2,C項錯誤;增加稀硫酸的用量并不能增大其濃度,也就不會改變制備氫氣速率,D項錯誤。
【歸納總結】
影響化學反應速率的因素
1.內因:反應物本身的性質,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。
2.外因
條件改變 反應速率變化
濃度 增大反應物濃度 加快
減小反應物濃度 減慢
溫度 升高溫度 加快
降低溫度 減慢
壓強 對氣體物質 參加的反應 增大壓強 加快
減小壓強 減慢
催化劑 加入合適的催化劑 加快
接觸面積 增大反應物間的接觸面積 加快
　　訓練1　下列有關描述正確的是(　　)。
A.Na、Mg、Al的金屬性決定了它們與水反應的速率快慢
B.對一定條件下的反應C(s)+O2(g)CO2(g),增加C的量,其反應速率加快
C.用鐵和稀硫酸反應制取氫氣時,將稀硫酸換成濃硫酸,產生氫氣的速率加快
D.改變壓強,化學反應速率必然改變
【答案】A
【解析】Na、Mg、Al的金屬性依次減弱,與水反應的速率依次減慢,A項正確;C是固體,濃度為常數,增加用量,幾乎不影響反應速率,B項錯誤;常溫下鐵遇濃硫酸鈍化,不產生氫氣,C項錯誤;對于固體、液體參與的反應,改變壓強,反應速率幾乎不變,D項錯誤。
任務2　運用控制變量法研究影響化學反應速率的因素
【新知生成】
將　　　　因素問題拆解為多個　　　　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　　　　　　　。
【答案】多　單　控制變量法
【核心突破】
典例2　某學習小組利用鐵與稀硫酸的反應,進行“探究影響化學反應速率因素”的實驗。結果如下表。
實驗 序號 鐵的質 量/g 鐵的 形態 V(H2SO4) /mL c(H2SO4) /(mol·L-1) 反應前溶液 的溫度/℃ 金屬完全消 失的時間/s
1 0.10 片狀 50 0.8 20 200
2 0.10 粉狀 50 0.8 20 25
3 0.10 片狀 50 1.0 20 125
4 0.10 片狀 50 1.0 35 50
　　請分析上表信息,回答下列問題:
(1)實驗1、2表明　　　　　　　　對反應速率有影響。
(2)僅表明反應物濃度對反應速率產生影響的實驗有　　　　(填實驗序號)。
(3)該探究實驗中,影響反應速率的因素還有　　　　　　　,體現該影響因素的實驗有　　　　(填實驗序號)。
(4)進行實驗3時,若將稀硫酸改為50 mL 2.0 mol·L-1鹽酸(其他條件不變),發現放出氣泡的速率,鹽酸明顯比硫酸快。你認為可能的原因是　　　　　　　　　(忽略溫度對反應速率的影響)。
【答案】(1)固體反應物的表面積　(2)1和3　(3)反應前溶液的溫度　3和4　(4)Cl-對反應起促進作用(或S對反應起抑制作用)(或其他合理答案)
【歸納總結】
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,控制其他因素不變的研究方法,使多因素的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。
訓練2　Fenton法常用于處理含難降解有機物的工業廢水,通常是在調節好pH和Fe2+濃度的廢水中加入H2O2,所產生的羥基自由基能氧化降解污染物,羥基自由基的產生與溶液pH有關。現運用該方法降解有機污染物p-CP,探究有關因素對該降解反應速率的影響。
【實驗過程】
圖1
圖2　實驗測得p-CP的濃度隨時間的變化
用如圖1所示裝置進行如下表所示的實驗,控制p-CP的初始濃度相同,其余實驗條件見下表,設計如下對比實驗,最終測量的是p-CP濃度的改變量。
【實驗數據】
實驗 編號 H2O2溶液 Fe2+溶液 蒸餾水 V/mL pH 溫度 T/K
c/(10-3 mol·L-1) V/mL c/(10-3 mol·L-1) V/mL
① 6.0 1.5 0.30 3.5 10 3 298
② 6.0 1.5 0.30 3.5 10 3 313
③ 6.0 3.5 0.30 3.5 x 3 298
④ 6.0 1.5 0.30 4.5 9 3 298
⑤ 6.0 1.5 0.30 3.5 10 10 298
　　【分析與解釋】
(1)實驗③中x=　　　　。
(2)實驗①⑤的目的是　。
(3)實驗①②表明溫度升高,降解反應速率增大。但溫度過高反而導致降解反應速率減小,從Fenton法所用試劑H2O2性質的角度分析原因:　 (請用化學用語解答)。
(4)通過實驗⑤可以得出的結論是pH等于10時,降解反應趨于停止,推測可能的原因:　 。
【答案】(1)8　(2)探究pH對p-CP降解速率的影響　(3)溫度高H2O2易分解:2H2O22H2O+O2↑　(4)pH=10時,Fe2+與H2O2反應生成Fe(OH)3,催化作用降低,抑制了羥基自由基的產生,進而無法氧化降解污染物
【解析】(1)實驗①為對照組,實驗②是探究溫度對降解速率的影響,實驗③是探究濃度對降解速率的影響,應保持單一變量,溶液總體積應為15 mL,則x=8。
(2)實驗①⑤所加試劑的體積、濃度均相同,只有pH不同,故實驗①⑤是探究pH對p-CP降解速率的影響。
(3)反應溫度在較低范圍時,隨著溫度升高,過氧化氫產生羥基自由基的速率增加,使p-CP降解速率提高;反應溫度過高時,過氧化氫分解產生氧氣,幾乎不產生羥基自由基,導致p-CP降解速率減小。
(4)由圖中曲線可以看出,在pH等于10時,p-CP的濃度幾乎沒有變化,說明pH=10時,該降解反應趨于停止,是因為在堿性較強的時候,Fe2+與H2O2反應生成了Fe(OH)3,催化作用降低,抑制了羥基自由基的產生。
【課堂小結】
【隨堂檢測】
1.已知FeCl3和MnO2都可作H2O2分解制O2反應的催化劑,為了探究溫度對化學反應速率的影響,下列實驗方案可行的是(　　)。
A.
B.
C.
D.
【答案】D
【解析】當探究溫度對化學反應速率的影響時,必須保證是在其他條件相同的情況下,再改變溫度觀察反應速率的變化。
2.以反應5H2C2O4+2Mn+6H+10CO2↑+2Mn2++8H2O為例探究“外界條件對化學反應速率的影響”。實驗時,分別量取H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液,迅速混合并開始計時,通過測定溶液褪色所需時間來判斷反應的快慢。
編號 H2C2O4溶液 酸性KMnO4溶液 溫度/℃
濃度/(mol·L-1) 體積/mL 濃度/(mol·L-1) 體積/mL
① 0.10 2.0 0.010 4.0 25
② 0.20 2.0 0.010 4.0 25
③ 0.20 2.0 0.010 4.0 50
下列說法錯誤的是(　　)。
A.實驗①②③所加的H2C2O4溶液均要過量
B.實驗①測得KMnO4溶液的褪色時間為40 s,則這段時間內平均反應速率v(KMnO4)=2.5×10-4 mol·L-1·s-1
C.實驗①和②是探究濃度對化學反應速率的影響,實驗②和③是探究溫度對化學反應速率的影響
D.實驗①和②起初反應均很慢,過了一會兒速率突然增大,可能是生成的Mn2+對反應起催化作用
【答案】B
【解析】要通過測定溶液褪色所需時間來判斷反應的快慢,則實驗①②③所加的H2C2O4溶液均要過量,A項正確;40 s內的平均反應速率v(KMnO4)==1.67×10-4 mol·L-1·s-1,B項錯誤;探究溫度對化學反應速率的影響,必須滿足除了溫度不同,其他條件完全相同,所以滿足此條件的實驗是②和③,探究反應物濃度對化學反應速率的影響,除了濃度不同,其他條件完全相同的實驗是①和②,C項正確;由影響反應速率的因素可知,實驗①和②起初反應速率很慢后突然增大,可能是Mn2+對反應起催化作用,D項正確。
3.H2O2分解速率受多種因素影響。實驗測得70 ℃時不同條件下H2O2濃度隨時間的變化如圖所示。下列說法正確的是(　　)。
甲　　乙
丙　　丁
A.圖甲表明,其他條件相同時,H2O2濃度越小,其分解速率越快
B.圖乙表明,其他條件相同時,溶液pH越小,H2O2分解速率越快
C.圖丙表明,少量Mn2+存在時,溶液堿性越強,H2O2分解速率越快
D.圖丙和圖丁表明,堿性溶液中,Mn2+對H2O2分解速率的影響大
【答案】D
【解析】圖甲中溶液的pH相同,但H2O2濃度不同,濃度越大,相同時間內濃度的變化量越大,由此得出相同pH時,H2O2濃度越大,其分解速率越快,A項錯誤;圖乙中H2O2濃度相同,但NaOH濃度不同,溶液的pH不同,NaOH濃度越大,相同時間內H2O2濃度變化量越大,故H2O2濃度相同時,pH越大H2O2分解速率越快,B項錯誤;圖丙中少量Mn2+存在時,相同時間內H2O2濃度變化量:0.1 mol·L-1 NaOH溶液>1.0 mol·L-1 NaOH溶液>0 mol·L-1 NaOH溶液,故錳離子作催化劑時受溶液pH的影響,但并不是溶液堿性越強,H2O2分解速率越快,C項錯誤;圖丁中pH相同,錳離子濃度越大,相同時間內H2O2濃度變化量越大,說明堿性溶液中,Mn2+對H2O2分解速率的影響大,D項正確。
4.研究影響化學反應速率的因素對實際生產、生活有重要意義。
(1)在日常的生活、生產中有許多外界條件對化學反應速率產生影響的例子,如冰箱保存食品、酸奶加酵母發酵快、空氣中水蒸氣含量越高鐵越容易生銹等。在下列事實中,各是什么因素影響了化學反應速率
事實 影響因素
① 集氣瓶中H2和Cl2的混合氣體,在瓶外點燃鎂條時發生爆炸 　　　　　　
② 黃鐵礦煅燒時要粉碎成礦粒 　　　　　　
③ 熔化的KClO3放出氣泡很慢,撒入少量MnO2則很快產生氣體 　　　　　　
④ 同濃度、同體積的鹽酸放入同樣大小的鋅粒和鎂條,產生氣體有快有慢 　　　　　　
⑤ 同樣大小的石灰石分別與0.1 mol·L-1鹽酸和1 mol·L-1鹽酸反應,速率不同 　　　　　　
⑥ 夏天食品容易變質,而冬天不易發生該現象 　　　　　　
(2)為了研究MnO2對雙氧水分解反應速率的影響,某學生將少許MnO2粉末加入50 mL密度為1.1 g·cm-3的雙氧水中,通過實驗測定:在標準狀況下放出氣體的體積和時間的關系如圖所示。請依圖回答下列問題:
①實驗時放出氣體的總體積為　　　　;
②放出一半氣體所需要的時間為　　　　;
③A、B、C、D四點化學反應速率由快到慢的順序為　　　　　　　;
④以上反應速率大小變化的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
⑤在5 min后,收集到的氣體體積不再增加,原因是　　　　　　　　　　。
【答案】(1)①光　②反應物的接觸面積　③催化劑　④反應物本身的性質　⑤反應物的濃度　⑥反應溫度　
(2)①60 mL　②1 min　③D>C>B>A　④隨著反應的進行,雙氧水的濃度逐漸減小,反應速率也隨之減小　⑤此時雙氧水已完全分解
【解析】(1)影響化學反應速率的因素除了濃度、溫度、壓強、催化劑以外,光、電磁波、超聲波、反應物顆粒的大小、溶劑的性質等,也會對化學反應速率產生影響。
(2)從圖示可知,生成氣體的總體積為60 mL,生成一半氣體即30 mL,需要的時間為1 min。圖中曲線的斜率表示生成O2的反應速率,A、B、C、D四點的斜率依次減小,所以反應速率由快到慢的順序為D>C>B>A。速率逐漸減慢的原因是隨著反應的進行,雙氧水的濃度逐漸減小。在5 min后,H2O2分解完全,所以氣體的體積不再增加。
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