师:同学们,今天我们一起来学习高一化学必修第二册第六章第二节第一课时——化学反应速率。在这节课中,我们将通过生活常识、数据分析和实验现象观察,初步形成化学反应速率的概念及其定量表示的一般方法,并了解影响化学反应速率的常见因素。通过探究影响化学反应速率的因素,学会控制变量的科学方法,增强证据推理意识。同时,能从微观角度理解浓度和压强对速率的影响,发展宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
在化学反应的研究和实际应用中,为提高生产效率,人们必须关注化学反应进行的快慢。大家看这四幅图片,它们发生了不同的化学反应。炸药爆炸瞬间完成,食物腐败以天计,金属腐蚀生锈以年月计,溶洞的形成以万年计。这些反应所经历的时间长短相距甚远,说明不同化学反应进行的快慢千差万别。这是一种定性的比较,若需进行定量的描述或比较时,要使用同一定义或标准下的数据。
在化学中,我们用化学反应速率来表示。由于常见化学反应发生的体系多为气体或溶液,而反应过程中气体或溶质物质的量、浓度的变化最容易进行量化,所以化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量来表示。用公式表达为:某物质的化学反应速率等于该物质浓度的变化量除以时间。浓度常以摩尔每升为单位,时间常以分或秒为单位,所以化学反应速率的单位相应为摩尔每升每分钟或摩尔每升每秒。
下面,请同学们根据化学反应速率的计算公式完成以下例题。在某反应中,反应物a的浓度在5分钟内由6摩尔每升变成了2摩尔每升,求该反应物这段时间内的平均反应速率。
生:反应物a的浓度的变化量为6摩尔每升减去2摩尔每升,再除以时间5分钟,求得a的平均反应速率为0.8摩尔每升每分钟。
师:非常好。下一道例题,在某2升的密闭容器中发生氮气与氢气化合为氨气的反应,5分钟内氨气的物质的量增加了0.2摩尔。请将表格填写完整。
生:已知氨气增加了0.2摩尔,根据化学计量数之比,那么氮气就消耗了0.1摩尔,氢气消耗了0.3摩尔。除以体积2升可得,氮气物质的量浓度的变化为0.05摩尔每升,氢气物质的量浓度的变化为0.15摩尔每升,氨气物质的量浓度的变化为0.1摩尔每升。再除以时间5分钟,可得氮气的反应速率为0.01摩尔每升每分钟,氢气的速率为0.03摩尔每升每分钟,氨气的速率为0.02摩尔每升每分钟。因此,反应中氮气、氢气、氨气的速率之比为1 : 3 : 2。而化学方程式中三种物质的化学计量数之比也为1 : 3 : 2,说明化学方程式中各物质的反应速率之比等于化学计量数之比。
师:很好。下一道例题,某温度时,在2升的容器中,x、y、z三种物质的量随时间变化的曲线如图所示。从图像可知,反应开始至5分钟,y的物质的量从4摩尔变成2摩尔,减少了2摩尔。那么y的平均反应速率是多少呢?
生:y的平均反应速率为2摩尔除以2升,再除以5分钟,等于0.2摩尔每升每分钟。
师:反应开始后,y和另一种物质的物质的量在减少,而x的物质的量在增加,所以y和那种物质是反应物,而x是生成物。且5分钟内y、那种物质、x物质的量的变化量分别为一定数值,因此三者在化学方程式中的计量数之比为1 : 2 : 2。所以该反应的化学方程式为1摩尔y和2摩尔那种物质反应生成2摩尔x。
从以上例题中我们可以得出,在使用化学反应速率时应注意:一、化学反应速率只取正值,没有负值。二、通过公式计算出的化学反应速率是一段时间内的平均速率,而不是瞬时速率,不同时刻的化学反应速率不一定相同。三、对于固体或纯液体物质,由于我们认为它们的浓度是不变的,所以一般不用固体或纯液体表示一个化学反应的速率。对于同一化学反应,用不同的物质表示反应速率,其数值可能不相同,各物质表示的化学反应速率之比等于该反应方程式中化学计量数之比。
那么化学反应速率的大小与我们的生活和生产有什么关系呢?对于有些化学反应,我们希望越慢越好,如食物的变质、金属的锈蚀等;有些则需要其能够更快一些,如氨和硫酸等化工产品的生产。所以,虽然参加反应的物质的性质是决定化学反应速率的重要因素,但是在实际生产和生活中,也经常需要通过改变外在条件来调控化学反应速率的快慢。
有哪些因素可能对化学反应速率产生影响呢?初中大家曾经学习过氧化氢溶液在常温下分解放出氧气的速率很小,但是加入催化剂二氧化锰后分解速率明显增大,说明加入催化剂可以改变化学反应速率。除此之外,影响化学反应速率的因素还可能有哪些?生活中把食物存放在冰箱里可以延长保质期;铁在空气中和在纯氧中反应的剧烈程度明显不同;做化学实验时通常会将块状固体研细或将固体先溶解再进行实验以加速反应的进行。以上实例说明,环境温度、反应物浓度以及反应物颗粒大小、反应物的接触面积发生变化时,化学反应速率也会随之变化。接下来我们继续通过更加严谨的对比实验来探究反应温度和反应物浓度对化学反应速率的影响。
实验一,反应温度的影响。在两支大小相同的试管中均加入2毫升5%过氧化氢溶液,同时滴入2滴1摩尔每升氯化铁溶液,待试管中均有气泡出现时,将一支试管放入盛有冷水的烧杯中,另一只试管放入盛有热水的烧杯中,观察记录实验现象并进行对比。请大家观看实验一的视频。
