高1下册人教版化学 化学反应的速率和限度(第1课时) 逐字稿-4,595字

  师:同学们好,今天我们开始学习第二章第三节的第一课时。在前面的学习中,我们探讨了化学反应的物质变化和能量变化,这是化学反应的两大特征。当一个具体的化学反应应用于实际时,人们关心的核心问题是什么呢?从这节课开始我们来研究。

  在实验和日常生活中,我们常观察到这样的现象:爆炸反应进行得非常快,而溶洞形成、铁生锈、牛奶变质等进行得比较慢,可见化学反应快慢有别。那么如何判断化学反应进行的快慢呢?我们可以从产生气泡的快慢、固体质量变化快慢、温度变化快慢、颜色变化快慢等方面来判断。

  不过,这些判断只是定性比较化学反应进行的快慢。在科学研究和实际应用中,需要定量描述或比较,这就需要引入新的物理量。在物理学中,描述物体运动快慢引入了速度,而在化学中,描述化学反应快慢我们引入化学反应速率。

  什么是化学反应速率呢?它是表示化学反应进行快慢的物理量。其表示方法通常是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,这里数值均为正值。化学反应速率用字母 v 表示,表达式为 v = Δc / Δt 。其中,c 是物质的量浓度,常用单位是摩尔每升;t 是时间,常用单位有秒、分钟、小时等,所以化学反应速率的常用单位是摩尔每升每分钟、摩尔每升每秒等。

  学习了化学反应速率的表达式,还需要注意:第一,化学反应速率表示的是一段时间内的平均反应速率,且应为正值;第二,固体或纯液体,其浓度可视为常数,一般不用浓度来表示它们的化学反应速率。

  了解基本概念后,我们通过应用来进行简单计算。

  例:一定温度下,在某化学反应中,反应物 b 的浓度在 5 秒内从 2.0 摩尔每升变为 0.5 摩尔每升。这 5 秒内,b 的化学反应速率为多少?

  根据化学反应速率的表达式 v = Δc / Δt ,带入数值,即(2.0 - 0.5)摩尔每升÷5 秒 = 0.3 摩尔每升每秒。

  讲完这个例题,同学们做个练习。

  一定温度下,一个 4 升容积不变的容器中通入 8 摩尔某气体反应物,5 分钟后测得这种气体反应物剩余 6 摩尔。这种反应物的化学反应速率是多少?

  这里与前面例题不同之处在于,给了体积,没直接给浓度的变化量。不过我们仍然可以利用公式 v = Δc / Δt ,因为 c = n / V ,所以 Δc = Δn / V ,再除以 Δt 。带入数值,(8 - 6)摩尔÷4 升÷5 分钟 = 0.1 摩尔每升每分钟。

  我们再看一个案例。

  利用方程式来计算。我们列出起始物质的量、变化的物质的量以及 2 分钟后的物质的量。已知二氧化硫、氧气起始量分别为 0.4 摩尔、0.8 摩尔,三氧化硫起始量为 0 摩尔,2 分钟后三氧化硫为 0.2 摩尔,所以三氧化硫的变化量为 0.2 摩尔。

  利用高一上学期所学,在化学方程式中,物质的量的变化量之比等于化学方程式中计量数之比,所以可以推出二氧化硫和氧气的变化量分别为 0.2 摩尔和 0.1 摩尔。同样可以推出,2 分钟后,二氧化硫和氧气的物质的量分别为 0.2 摩尔和 0.7 摩尔。

  把这个式子完整写出来,分为起始量、变化量、2 分钟后的量,在化学上我们称之为“三段式法”。

  知道了变化量,就可以求反应速率。二氧化硫变化的物质的量为 0.2 摩尔,容器体积为 2 升,时间为 2 分钟,所以二氧化硫的反应速率 = 0.2 摩尔÷2 升÷2 分钟 = 0.05 摩尔每升每分钟。类似地,可以求出氧气的反应速率为 0.025 摩尔每升每分钟,三氧化硫的反应速率为 0.05 摩尔每升每分钟。

  从这个结果同学们能得到什么启示呢?同一个化学反应可以用不同的物质来表示反应速率,它们的数值可能相同也可能不同,但代表的含义是相同的。我们看二氧化硫、氧气和三氧化硫的反应速率之比为 2 : 1 : 2 ,这个比值与变化的物质的量之比相同,与化学计量数之比也相同。

  所以对于任意一个反应,aA + bB = cC + dD ,是不是都有 v(A) : v(B) : v(C) : v(D) = a : b : c : d 呢?我们得出结论:同一反应在相同条件下,化学反应速率之比等于化学方程式中对应物质的化学计量数之比。注意,这个结论是在同一反应、相同条件下成立的。

  利用这个结论我们做个练习。对于反应 3A + B = 2C + 2D ,在不同条件下表示的反应速率中,速率最大的是哪个选项?

  在不同条件下用不同物质表示反应速率,比较时要注意审题。首先看单位,c 选项 v(C) = 0.02 摩尔每升每秒,单位与其他三个选项不同,先把单位统一。所以 v(C) = 1.2 摩尔每升每分钟。

  单位统一后,不同物质不同条件下的反应速率还是不能直接比较。我们要利用化学方程式中,相同条件下反应速率之比等于计量数之比,把其中三个选项中的反应速率转化成用另外一种物质表示的反应速率,这里我们把 b、c、d 选项全部转化成用 A 表示的反应速率。

  b 选项中,v(B) = 0.45 摩尔每升每分钟,因为 v(A) : v(B) = 3 : 1 ,所以可以推出 v(A) = 1.35 摩尔每升每分钟。同理,c 选项转化成 v(A) 应该为 1.8 摩尔每升每分钟,d 选项转化为 v(A) 应该为 0.675 摩尔每升每分钟。

  此时转化成在不同条件下用同一物质表示的反应速率,就可以比较了。很明显 c 选项最大,所以答案选 c 。

  做个小结,比较不同条件下同一反应进行的快慢,首先要将单位统一,注意观察是否为固态或纯液态物质,如果是固态或纯液态物质,一般不需要换算单位,原因是前面讲过固态或纯液体物质一般不用浓度表示其反应速率。第二步,将不同物质表示的反应速率转化为用同一种物质表示的反应速率,再进行大小比较。

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