第二章 化学反应与能量

第三讲　化学反应的速率和限度

复习重点：化学反应速率和反应限度概念；了解影响化学反应速率和反应限度的因素。

复习难点：化学反应限度的本质原因及外部特征。

知识梳理

一、化学反应过程进行的快慢——化学反应速率。

1、化学反应速率的表示方法

化学反应速率通常用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿来表示。表达式：＿＿＿＿＿＿＿，其常用的单位是　　　　　　  或　　　　　　   。

例如：某反应的反应物浓度在5min内由6mol/L变成了2mol/L，则以该反应物浓度的变化表示的该反应在这段时间内的平均反应速率为：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

2、影响化学反应速率的因素：

影响化学反应速率的因素		规律
内因	反应物的性质
外 因	催化剂
	反应物的温度
	反应物的浓度
	气态反应物的压强
	固体反应物的表面积
	其他

3、应用化学反应速率需注意以下问题：

(1)化学反应速率是标量，只有＿＿＿而没有＿＿＿；

(2)一般计算出来的化学反应速率是一段时间内的＿＿＿速率，不同时刻的化学反应速率

是不相同的；

(3)固体或气体反应中的液体物质，反应在其表面进行，它们的“浓度”是＿＿＿变的，

因此一般＿＿＿用固体、纯液体表示化学反应速率；

(4)对于同一化学反应，用不同的物质表示其化学反应速率可能＿＿＿相同，但其化学反应速率之比等于＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿之比。

三、化学反应的限度—化学平衡

　　1、可逆反应：能同时向＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿进行的化学反应叫做可逆反应。理解可逆反应需注意三同：同＿＿、同＿＿、同＿＿＿＿。

　 2、 当一个可逆反应的＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿相等时，＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿不再改变，达到一种“平衡状态”，这就是这个反应所能达到的限度。

任何化学反应都有一定的限度，有的反应限度较大，反应进行的比较彻底，反应物转化为生成物的转化率较大；有的反应限度较小，反应物转化为生成物的转化率较小。

3、化学平衡的特点：“＿、＿＿ 、＿＿  ”

a.反应物与生成物处于动态平衡，在化学平衡状态，可逆反应的正反应和逆反应都还在不断的进行着，只是此时V正=V逆（且都大于0）。而不是停止了化学反应。

b.在化学平衡状态，任何反应物与生成物浓度保持一定，百分组成保持一定；（或说反应物与生成物的含量保持一定）

c.影响平衡的外界条件改变，平衡状态即被破坏，发生平衡移动。

4、影响化学平衡的条件：

化学平衡状态是与外界条件有关的。外界某种条件改变时，使正、逆反应速率不等，平

衡混合物中各组成物质的百分含量（或浓度）也随之改变，原来的平衡被破坏直到建立新条

件下的另一种平衡状态。这种改变的过程，叫化学平衡的移动。影响化学平衡的主要条件有

______、______、_____。

疑难点拨

一、怎样用活化分子和活化能的概念理解浓度、温度等外界条件对反应速率的影响？

据研究，在一定温度下，气体分子具有一定的平均能量，但不是所有分子都具有这样大的能量的，有的分子能量高些，有的分子能量低些。只有极少数具有能量比平均值高得多的分子，它们才能发生有效的碰撞；也就是说，碰撞后才能引起反应，这样的分子叫做活化分子。活化分子具有的最低能量，与同温度下分子的平均能量之差叫做活化能，这是反应物分子在一定条件下进行反应，所必须具备的能量。不同的反应，具有不同的活化能，反应的活化能越低，活化分子的百分数就越大，反应就越快。活化能的单位通常是kJ/mol。例如，实验测得：

　　2SO₂＋O₂=2SO₃反应的活化能为209kJ/mol

　　2N₂O₅＝4NO₂＋O₂反应的活化能为100.32kJ/mol

活化分子和活化能的概念，可用来解释浓度、温度等因素对反应速率的影响。对某一反应来说，在一定温度下，活化分子在反应物分子中所占的百分数是一定的。因此，单位体积内活化分子的数目，是和单位体积内反应物分子的总数成正比，也就是和反应物的浓度成正比。显然，当反应物的浓度增大时，单位体积内活化分子的数目也相应地增多，这样也就增加了单位时间内有效碰撞的次数，因此反应速率加快。另外，如果升高反应温度，则分子运动加快，从而增加了单位时间内分子间的碰撞次数；更重要的是由于一些分子获得了能量，增加了活化分子的百分数，因而加快了反应速率。

至于催化剂加快反应速率的原因，乃是由于降低了反应的活化能，增加了活化分子的百分数的缘故。

二、与化学反应速率变化机理有关的两个理论

1．中间产物论

例如：二氧化锰催化氯酸钾的分解反应，二氧化锰亦参加了化学反应，形成了中间产物。

首先是氯酸钾和二氧化锰生成高锰酸钾、氯气和氧气：

2KClO₃＋2MnO₂====2KMnO₄＋Cl₂＋O₂

高锰酸钾进一步分解：

2KMnO₄====K₂MnO₄＋MnO₂＋O₂

形成的锰酸钾与氯气反应：

K₂MnO₄＋Cl₂====2KCl＋MnO₂＋O₂

总起来为：

由于二氧化锰参加反应，使得活化能降低，从而大大加快反应速率。

这一理论对实验室制氧气时产生的现象能很好地解释。例如制造出的氧气有氯气的味道。最后剩余产物溶于水后的溶液呈淡紫色。说明中间产生氯气和高锰酸钾有一定的道理。

2．活性中心吸附论

合成氨中铁做催化剂时，铁在适当温度，例如500℃～550℃时做为活性中心，吸附氮分子，使氮分子的化学键变弱，进而使化学键破裂而离解为氮原子。气体氢分子与铁表面吸附的氮原子作用，逐步反应形成氨，可表示为：

上述反应过程需要的活化能降低了，使活化分子百分数增高，因而反应速率大大增加。

　　在有气体参加的反应中，使用催化剂，由于催化剂中心的吸附产生中间产物，并使反应物在活性中心周围的浓度增大，活化分子增多，有效碰撞机会增大，从而使反应速率增大。以上两个学说是与有效碰撞理论有关的。

三、探究影响反应速率的另类因素

1、增大表面积可提高反应速率

一定量的固体，其颗粒越小，表面积越大，反应中碰撞的机会越多，反应越快。如燃煤时将大块的煤粉碎后再燃烧可以使煤燃烧得更快、更充分；将硫铁矿粉末高温燃烧；铜丝与硫粉加热反应；与盐酸反应时，大理石粉比大理石块的反应更剧烈；面粉厂车间遇火种易发生爆炸等。

2、加大光照强度提高反应速率

氯水、AgBr、HClO、浓HNO₃等见光分解加快，强光照射H₂与Cl₂混合气体、甲烷与Cl₂混合气体易发生爆炸等。光照还是光化学烟雾形成的主要原因，光化学烟雾是氮氧化物和碳氢化合物（C_XH_Y）在大气环境中受强烈的太阳紫外线照射后产生一种新的二次污染物。

3、电化学原理增大反应速率

在相同条件下，电化学反应比化学反应的反应速率快得多。如粗锌跟盐酸反应速率比纯锌快，这是由于粗锌中杂质与Zn构成原电池加快反应速率，不纯金属易被腐蚀原因也由于杂质（C）与金属（Fe）构成原电池。利用电化学原理也可使几乎不发生反应能进行反应，如铜与盐酸反应，可设计成原电池，也可设计成电解池。另如在水中加入强酸或强碱都可使电解水的速率加快。人们可利用电化学原理增大有利的化学反应速率，也可利用电化学原理减弱有害的化学反应速率，如牺牲阳极保护金属法。

4、采用不同的溶剂可改变反应速率

研究溶液中反应要考虑溶剂分子所起的物理的或化学的影响。溶剂的极性对反应速率存在影响。如果生成物的极性比反应物大，则在极性溶剂中反应速率比较大；反之，如反应物的极性比生成物大，则在极性溶剂中的反应速率必变小。如甲醇羰基化反应，在非极性溶剂中、介电常数较小的溶剂能增加反应速率；另如CH₃COCl与苯酚反应当以硝基苯为溶剂时主要产品为对位，当以CS₂为溶剂时主要产品为邻位。CH₃CH₂Cl在NaOH水溶液中发生水解反应，在NaOH醇溶液中发生消去反应。

5、超声波射线、激光、电磁波等对反应速率均有影响。

超声波作为一种高频机械波,具有波长较短,能量集中 的特点. 可利用超声波增大物质分子运动频率和速度。超声波具有强烈的乳化作用,并能起到均匀搅拌、研磨粉碎和加速化学反应的作用。

激光具有单色性、高强度和短脉宽等优越性能，是诱发光化学反应最理想的光源。例如，激光光解可以产生自由基或原子，所产生的自由基又可以诱发链锁反应。

典例剖析

【例1】 对于反应N₂+O₂ 2NO在密闭容器中进行，下列哪些条件能加快反应的速率

A. 缩小体积使压强增大　　　　　 B. 体积不变充入N₂使压强增大

C. 体积不变充入H₂使压强增大　　D. 压强不变充入N₂使体积增大

解析：对有气体参加的化学反应，增大压强如果能增大反应物的浓度，则可以加快反应速率，AB均如此。C选项充入氢气，虽然压强增大，但反应物浓度不变，D选项体积增大，减小了氧气的浓度，也不加快反应。答案：AB。

【例2】温度为500℃时，反应4NH₃+5O₂ 4NO+6H₂O在5L的密闭容器中进行，半分钟后NO的物质的量浓度增加了0.3mol，则此反应的平均速率 (x)为

A、v（O₂）=0.01mol/（L·s）　　 B、v（NO）=0.08mol/（L·s）

C、v（H₂O）=0.003mol/（L·s）　 D、v（NH₃）=0.002mol/（L·s）

解析：根据化学方程式4NH₃+5O₂ 4NO+6H₂O，NO的物质的量增加了0.3mol，则H₂O增加了0.45mol，NH₃和O₂分别减少了0.3mol和0.375mol。所以，用反应中各气态的反应物和生成物表示的该反应的化学反应速率分别为：

v（NH₃）= =0.002mol/（L·s）　　　v（O₂）= =0.0025mol/（L·s）

v（NO）= =0.002mol/（L·s）　　　 v（H₂O）= =0.003mol/（L·s）

可见，本题的正确答案是CD。

【例3】一定条件下，在密闭容器中，能表示反应X(g)+2Y(g) 2Z(g)一定达到化学平衡状态的是

A. X、Y、Z的物质的量之比为1:2:2　　B. X、Y、Z的浓度不再发生变化

C. 容器中的压强不再发生变化　　  D. 单位时间内生成n molZ，同时生成2n molY

解析：达到化学平衡状态是指各组分浓度不变的状态，此时本题中压强也不再变化，而D选项表示反应向逆反应方向进行，没有达到平衡。答案：BC。

【例4】一密闭容器内装有N₂和H₂ ，反应开始时，N₂浓度为2 mol/L，H₂浓度为5mol/L ，两分钟后，测得N₂浓度为1_·8mol/L ，则两分钟内N₂的平均反应速率是多少？H₂和NH₃的平均反应速率又分别是多少？通过计算，比较三者速率有何联系？

解析： 　　　　　　　　　　N₂　+ 3 H₂  2NH₃

起始浓度（mol/L）　　 2　　　5　　　　 0

浓度变化（mol/L）　　0_·2　　 0_·6　　　　0_·4

2 min后浓度（mol/L） 1_·8　　 4_·4　　　　0_·4　　　　　

所以：v（N₂）==0_·1 mol/（L·min）

v（H₂）=0_·3 mol/（L·min）　v（NH₃）=0_·2 mol/（L·min）

知能训练

一、选择题

1、NO和CO都是汽车尾气中的有害物质，它们能缓慢地反应生成氮气和二氧化碳，对此反应，下列叙述正确的是

A、 使用适当的催化剂不改变反应速率　　B、降低压强能提高反应速率

C、高温度能提高反应速率　　　　　　　 D、改变压强对反应速率无影响

2、下列说法不正确的是

A.物质发生化学反应都伴随着能量变化。

B.化学反应的速率和限度均可通过改变化学反应条件而改变。

C.可逆反应只是代表少数反应。

D.化学反应达到平衡状态时，正反应速率与逆反应速率相等。

3．在下列平衡体系中，保持温度一定时，改变某物质的浓度，混合气体的颜色会改变；改变压强时，颜色也会改变，但平衡并不移动，这个反应是

A．2NO＋O₂ 2NO₂　　　　　　  B．N₂O₄  2NO₂

C．Br₂(g)＋H₂  2HBr　　　　  D．6NO＋4NH₃  5N₂＋3H₂O

4、铝与稀硫酸的反应中，已知10s末硫酸的浓度减少了0.6 mol/L，若不考虑反应过程中溶液体积的变化，则10s内生成硫酸铝的平均反应速率是

A、0.02 mol/(L•min)　　B、1.8mol/(L•min) C、1.2 mol/(L•min) D、0.18 mol/(L•min)

5、100 mL 6mol/L硫酸溶液与过量锌粉反应，在一定温度下，为了减缓反应速率但又不影响生成氢气的总量，可向反应物中加入适量的

A、碳酸钠　　　　　　B、水　　　　　　C、硫酸钾溶液　　　　　　D、烧碱溶液

6、在下列影响化学反应速率的外界因素中，肯定能使化学反应速率加快的方法是

①升高温度　②加入正催化剂　③增大反应物浓度　④将固体块状反应物磨成末⑤增大压强

A、①②③⑤　　D．①②④⑤　　C①③④⑤　　D①②③④

7、在反应2SO₂+¹⁸O₂ 2SO₃中，其中氧气用¹⁸O标记上，其中含有¹⁸O的物质有　

A、SO₂ 　　B、SO₂　O₂　SO₃　　C、O₂　SO₃　 D、SO₂　SO₃

8．通常A、B是五色溶液，产物AB是白色沉淀，则下列各条件下发生的反应：A+B＝AB，最先看到有白色沉淀生成的是

　　A、常温下，20mL中含有A、B各0．003mol·L^-1的溶液

　　B．在标准状况下，100mL中含A、B各0．05mol·L^-1的溶液

　　C．常温下，0．1mol·L^-l的A、B溶液各10mL相混合

D．在标准状况下，0．1mol·L^-1的A、B溶液各lOmL相混合

9．一定条件下，在密闭容器中，能表示反应X(g)＋2Y(g) 2Z(g) 一定达到化学平衡状态的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

① X、Y、Z的物质的量之比为1︰2︰2　　　② X、Y、Z的浓度不再发生变化

③ 容器中的压强不再发生变化　　　④ 单位时间内生成n mol Z，同时生成2n mol Y

A. ①②　　　　B. ①④　　　　C. ②③　　　　D. ③④

10．在10℃时某化学反应速率为0.1 mol/(L•s)，若温度每升高10℃反应速率增加到原来的2倍。为了把该反应速率提高到1.6 mol/(L•s)，该反应需在什么温度下进行？

A、30℃　　　　　　　 B、40℃　　　　　　　　C、50℃　　　　　　　 D、60℃

11、在m A + n B  p C的反应中，m、n、p为各物质的计量数。现测得C每分钟增加a mol/L，B每分钟减少1.5a mol/L，A每分钟减少0.5a mol/L，则m：n：p为

A、2：3：2　　　　　B、2：3：3　　　　　C、1：3：2　　　　　D、3：1：2

12．可逆反应N₂＋3H₂2NH₃的正、逆反应速率可用各反应物或生成物浓度的变化来表示，下列各关系中能说明反应已达到平衡状态的是

A、 v_正（N₂）＝v_正（H₂）　　　　 B、v_正（N₂）＝v_逆（NH₃）

C、2v_正（H₂）＝3v_逆（NH₃）　　 D、v_正（N₂）＝3v_逆（H₂）

13、空气中煅烧硫铁矿可以产生SO₂和氧化铁。为了提高生产SO₂的速度，下列措施可行的是

A、 把块状矿石碾成粉末　　　　　 B、增大O₂压强，向炉内喷吹空气

C、添加氧化铁作催化剂　　　　　　D、降低温度并降低SO₂浓度

14、温度为500℃时，反应4NH₃+5O₂4NO+6H₂O在5L的密闭容器中进行，半分钟后NO的物质的量浓度增加了0.3mol，则此反应的平均速率(x)为

A、（O₂）=0.01mol/（L•s）　　　　　　　　B、（NO）=0.08mol/（L•s）

C、（H₂O）=0.003mol/（L•s）　　　　　　D、（NH₃）=0.002mol/（L•s）

二、填空题

15、分析下列实例，根据已有的知识和经验，填写下表。

实例	影响速率的因素	如何影响
夏天食物易变质
硫在氧气中比在空气中燃烧快
粉状的碳酸钙与盐酸反应比块状的碳酸钙反应快
氯酸钾与二氧化锰混合共热可快速产生氧气
工业合成氨通常要在高压下进行

16．可逆反应aA(g)＋bB(g)  cC(g)＋dD(g)，取a mol A和b mol B置于V L容器内1 min后，测得容器内A的浓度为x mol·L^－1，这时B的浓度为　　　　　　　  ，C的浓度为　　　　 ，这段时间内反应的平均速率若以物质A的浓度变化来表示，应为　　　　　　　　  。

17．某可逆反应进行过程中，在不同反应时间各物质的量的变化情况如图所示。则该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 ；反应开始至2分钟，能用C表示反应速率吗？　　　　　　 　（填“能”或“不能”），原因　　　。

三、实验题

18．实验室里常见到右图所示仪器，该仪器为两头密封的玻璃管，中间带有一根玻璃短柄。该仪器可进行多项实验。当玻璃管内装有碘晶体时，用此仪器可进行碘升华实验，具有装置简单、操作方便、现象明显、没有污染，可反复使用等优点。

(1)用此仪器不能反复进行的实验是　　  （填序号）　　　　　　 

A．NH₄Cl固体受热分解

B．KMnO₄晶体受热分解

C．白磷和红磷一定温度下互相转变

D．无水CuSO₄和胆矾的互变实验

(2)当玻璃管内装有NO₂和N₂O₄的混合气体时，亦可反复进行反应条件对化学平衡影响的实验，该实验的操作过程和实验现象是　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。

(3)如果玻璃管内装有大量红色溶液，加热时溶液颜色变浅，冷却时恢复红色，该溶液可能是　　　　　　　　　，如果玻璃管内封有少量无色溶液，加热溶液时，溶液变红，冷却后恢复无色。此溶液可能是　　　　　　　　　　  。

19、某研究性学习小组研究过氧化钠跟水等物质的反应，进行如下实验：向盛有少量过氧化钠固体的试管中滴加水，直至气体不再放出，加入稀释，将所得溶液平均盛放在七支试管中，一支试管中滴加酚酞试液，溶液变红，半分钟内红色褪去；另六支试管中分别加入少量二氧化锰、氧化铜、土豆泥、生锈的铁钉、新鲜动物肝脏或用波长为320~380 nm的光照射后，又有气体放出，待气体放出后，再滴加酚酞，溶液变红，持久不褪色。请写出：

(1)过氧化钠跟水反应的化学方程式：a._____________；b.____________。

(2)加入二氧化锰等后溶液中发生反应的化学方程式是________________________，反应中二氧化锰、氧化铜、土豆泥、生锈的铁钉、新鲜动物肝脏的作用是___________________。

(3)新鲜动物肝脏的提取液稀释10倍与原溶液实验效果基本相同，这表明新鲜肝脏对该反应具有_______________________。

A.专一性　　　　　　B.多样性　　　　　　C.高效性　　　　　　　　D.稳定性

三、计算题

20．在合成氨时，将1体积氮气和3体积氢气混合后通过合成塔中的催化剂，若从塔中导出的混合气体中，氨气的体积分数为12%，求N₂和H₂的体积分数各为多少？

参考答案：

1、B2、C3、C4、C　5、BC6、D7、 B8、C9、C10、C11、C12、C13、AB14、CD15、

实例	影响速率的因素	如何影响
夏天食物易变质	温度	温度升高，反应速率加快
硫在氧气中比在空气中燃烧快	反应物浓度	反应物浓度增大，反应速率加快
粉状的碳酸钙与盐酸反应比块状的碳酸钙反应快	反应物接触面积的大小	反应物接触面积越大，反应速率越快
氯酸钾与二氧化锰混合共热可快速产生氧气	催化剂	加入催化剂，增大反应速率

16、mol·L^－1，　 mol·L^－1，　 mol·L^－1·min^－1

17、2A＋B  2C，不能，因为体积为未知数。

18．（1）B；（2）将该装置浸入冰水中，颜色变浅，再取出，擦干水，放在酒精灯上烘烤，颜色变深。

（3）稀氨水和酚酞的混合溶液；被SO₂漂白后的品红溶液（提示：①气体和液体都处在同一个封闭体系中，受热时气体在水中溶解度减小而从水中逸出，冷却后气体又溶于水，回复到加热前的状态。②氨水的平衡；NH₃＋H₂O NH₃·H₂O NH₄^＋＋OH^－，受热时平衡向左移动，逸出NH₃气，溶液中[OH^－]降到一定值时酚酞不显色，溶液褪为无色。被SO₂漂白了的品红溶液在受热时SO₂从水中逸出，品红恢复红色，冷却后SO₂溶于水又将品红漂白。）

19、（1）a.2Na₂O₂+2H₂O=4NaOH+O₂↑

催化剂

b.Na₂O₂+2H₂O=2NaOH+H₂O₂

（2）2H₂O₂　 　2H₂O+O₂↑　　催化剂

（3）C

20、解析：设有x体积氮气转化为氨气，则：

N₂ ＋　3H₂ 　 2NH₃

起始体积　 1　　　　　 3　　　　　 0

转化　　　 x　　　　　 3x　　　　 2x

导出气体（1－x）　　　3－3x　　　 2x

由题意得：2x／（4-2 x）=12%

解得：x =0.78　　所以　　 N₂　22% ，　H₂　66%