师:同学们大家好,今天我们继续学习反应条件对反应速率的影响。上节课我们学习了有效碰撞理论,大家还记得吗?我们一起回顾一下:发生化学反应是因为反应物分子进行了有效碰撞。那么怎样才能发生有效碰撞呢?反应物分子要具有足够能量,并按照合适的取向碰撞。我们把具有足够能量的分子称为活化分子,单位体积内活化分子数影响单位时间内有效碰撞次数,进而影响化学反应速率。我们已经讨论了浓度、压强对化学反应速率的影响,那么温度对化学反应速率有怎样的影响呢?接下来我们就继续学习温度对化学反应速率的影响。我们先通过实验感受一下。
实验仪器用品有试管、烧杯、量筒;药品有硫代硫酸钠溶液、硫酸溶液、冷水、热水。
取1号试管两支,各加入5毫升0.1摩尔每升的硫代硫酸钠溶液;2号试管两支,各加入5毫升0.1摩尔每升的硫酸溶液。将试管分成两组,一组放入冷水中,一组放入热水中,每组各有一支盛硫代硫酸钠溶液和硫酸溶液的试管。
一段时间后取出试管,分别将硫代硫酸钠溶液和硫酸溶液混合。
大家可以观察到,热水中的一组先出现浑浊,冷水中的一组后出现浑浊。
根据实验现象,我们能得出什么结论呢?在其他条件不变时,对于大多数化学反应,升高温度,化学反应速率加快;降低温度,化学反应速率减慢。那么温度对化学反应速率的影响程度如何呢?科学家们在实验基础上总结出不少经验规律,比如范托夫总结的经验规律:对于在溶液中发生的反应,温度每升高10K,化学反应速率增加到原来的2 - 4倍。这句话怎么理解呢?我们举个例子,假如某反应的化学反应速率在温度每升高10K时,速率增加到原来的4倍。现在它的速率为v,温度升高10K,它的速率就变为4v。如果温度再升高10K,它的速率将变为4v的4倍,也就是16v。大家明白了吗?看来温度对化学反应速率的影响程度比较大,该经验规律能对一些反应的反应速率做粗略估计。随着研究技术不断发展,我们获得的数据也越来越精确。同学们看这组数据表,表中是几个反应在不同温度时的反应速率常数之比。根据表中的数据,请大家思考温度对化学反应速率有怎样的影响呢?
从表中数据可以看出,308K和298K时,反应速率常数之比值均大于1,说明温度升高,反应速率常数增大,化学反应速率加快。请同学们继续思考,升高相同温度对不同化学反应的反应速率影响程度一样吗?
根据表中数据,同样是升温10K,但是反应速率常数的变化程度各不相同,说明升高温度对不同化学反应的反应速率影响程度不一样。为什么会这样呢?进一步研究表明,这与活化能有关。对于基元反应,活化能是活化分子平均能量与普通反应物分子平均能量的差值。所以活化能越高,反应越难进行。不同反应的活化能不同,所以温度对反应速率的影响不同。运用有效碰撞理论该如何解释呢?我们模拟一下:一定条件下,在体积一定的容器中,红色球代表活化分子,蓝色球代表普通反应物分子。升温后会有怎样的变化呢?根据这个变化,大家能完成下面的表格吗?我们一起来完成:升高温度,分子总数不变,活化分子总数增加,单位体积内活化分子数增加,单位时间内有效碰撞次数增多,化学反应速率加快。
在我们生活中,有没有利用温度来调控化学反应速率的例子呢?我想同学们一定会想到家里的一样电器,没错,就是电冰箱。电冰箱正是通过降低温度,延缓了食物的腐败速度,从而延长了食物的储存时间。再例如这袋食物,关于它的保质期有如下说明,大家能明白其中的缘由吗?温度升高,反应速率加快,所以保存时间就会越短。现在我们清楚了温度对化学反应速率的影响,接下来继续讨论催化剂对化学反应速率的影响。我们也先通过实验感受一下。
实验仪器用品有锥形瓶、双孔塞、短导管、漏斗、量筒、钥匙;药品有过氧化氢(双氧水)。在锥形瓶中加入10毫升10%的双氧水,双孔塞上有短导管和漏斗,短导管中放有带火星的木条。实验开始时,可以观察到没有明显现象。先通过漏斗向锥形瓶中加入少量二氧化锰,锥形瓶中迅速产生大量气泡,并且可以观察到木条复燃。
根据实验现象,我们能得出什么结论呢?在其他条件不变时,使用催化剂,化学反应速率加快。其实催化剂有正负之分,能够加快化学反应速率的,我们称之为正催化剂;减慢化学反应速率的则为负催化剂。如果没有特别说明,催化剂指的是正催化剂。那么催化剂对化学反应速率的影响程度如何呢?我们用数据说话,表中是一些反应使用催化剂前后的活化能及反应速率常数之比。根据表中数据,请同学们回答下列问题。
我们首先看到,使用催化剂后活化能降低,再看到反应速率常数增大,所以化学反应速率加快。而且我们还能感受到反应速率常数变化的程度非常大,因此使用催化剂后可以成千上万倍地改变化学反应速率。运用有效碰撞理论该如何解释呢?我们也模拟一下:一定条件下,在体积一定的容器中,红色小球代表活化分子,蓝色小球代表普通反应物分子。使用催化剂后会有什么变化呢?根据这个变化,大家能完成下面的表格吗?我们一起来完成:使用催化剂,分子总数不变,活化分子总数增加,单位体积内活化分子数增加,单位时间内有效碰撞次数增多,化学反应速率加快。那么为什么催化剂能够降低反应的活化能呢?我们以臭氧分解为例分析一下。使用催化剂后,我们可以看到反应的历程发生了改变,从而活化能降低。因此我们可以说,催化剂通过改变反应历程来降低活化能。催化剂能改变化学反应的平衡常数和平衡转化率吗?我们知道催化剂能够改变化学反应速率,但是催化剂是同等倍数地改变正逆反应速率,所以正逆反应速率依然相等,这样就不能引起平衡移动,所以催化剂不能改变化学反应的平衡常数和平衡转化率。根据以上思考,我们来总结一下。第一点,催化剂通过改变反应历程来降低活化能,反应前后催化剂本身的质量和化学性质不变;第二点,催化剂不能改变化学平衡常数,不能改变平衡转化率。
