化学反应的速率和限度

【思考与交流】在化学实验和日常生活中，我们经常观察到这样的现象：有的化学反应进行得快，有的化学反应进行得慢。你了解下列化学变化过程进行的快慢吗？反应的快慢与我们有什么关系？食物腐败离子反应塑料老化溶洞形成炸药爆炸金属锈蚀图2—17快慢差别很大的化学反应瞬间完成以万年计极其缓慢塑料老化——以年计离子反应——以秒计50年前,故宫太和殿栏杆上雕刻着精美浮雕花纹还清晰可见,现在却大多是模糊不清,部分已成了光板，造成这些灾难的元凶是什么呢？为什么几百年腐蚀很慢，而近几十年腐蚀却变快了呢？这就涉及到化学反应的快慢问题飞机上煤油爆炸是一个进行得非常快速的反应，爆炸和撞击足以爆发了911人间特大悲剧。HCl＋NaOH＝NaCl＋H2O千分之一秒即完成H2＋Cl2＝2HCl百分之一秒即完成救心丹几分钟见效煤、石油等化石燃料的形成几千万年以上反应的快慢与我们的生活、学习、科研、环境、生产等关系很密切，有利的反应通常适当快一些好，有害的反应则越慢越好。怎样比较和判断反应的快慢？请思考：①冒气泡快慢②颜色变化③固体量减少④浑浊程度⑤温度变化等可以从实验现象来比较和判断（定性描述）一、化学反应的速率研究反应的快慢⊙定量描述⊙定性描述很快、较快、较慢、很慢物理学中描述物体运动的快慢用“速度”来表示化学反应进行的快慢用“化学反应速率”来表示研究反应的快慢1.定义：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。V＝△c△t3.单位：mol/(L•min)或mol/(L•s)2.公式：△t＝△c/V△c＝V·△t例题：反应4NH3+5O24NO+6H2O在5升的密闭容器中进行，30秒后，NO的物质的量增加了0.3mol，此反应的平均反应速率用NO来表示为多少？问题1：若用O2的浓度变化来表示此反应速率是多少若用NH3来表示呢?问题2：此反应的化学反应速率用不同的物质表示时数值上是否相同？数值上有何规律？有何应用？v(NO)=0.002mol/（L·s）v(O2)=0.0025mol/（L·s）v(NH3)=0.002mol/（L·s）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＿＿。4NH3+5O24NO+6H2O0.002mol/（L·s）0.0025mol/（L·s）：0.002mol/（L·s）：注意：（4）由于固体和纯液体的浓度在反应中不发生变化，所以一般不用来研究化学反应速率（而用气体或溶液的反应速率来表示）。（2）表示指定时间内的平均反应速率（3）反应速率要指明具体的物质并取正值（1）反应速率之比等于其化学计量数之比有哪些因素能够影响化学反应的速率呢？4.影响化学反应速率的因素（1）内因（决定作用）：（2）外因（外界条件）：反应物的结构和性质（无法改变）实验2-5在2支大小相同的试管中，装入2-3mL约5%的H2O2溶液，分别滴入1-2滴1mol/LFeCl3溶液。待试管中均有适量气泡出现时，将其中一支试管放入盛有5℃左右冷水的烧杯中；另一支试管放入盛有40℃左右热水的烧杯中，观察现象并进行对比。待放入热水烧杯中的试管里出现大量气泡时，用带火星的木柴梗检验放出的气体。4.影响化学反应速率的因素实验2－5现象结论热水中常温冷水中溶液中产生气泡的速率很快，带火星的木柴梗复燃温度越高，化学反应速率越快，有O2产生溶液中有气泡产生，且速率较快溶液中产生气泡的速率较慢温度越低，化学反应速率越慢化学方程式：2H2O2===2H2O+O2↑FeCl3常温条件下，化学反应速率还算较快※在其它条件不变时，升高反应体系的温度，可以加快化学反应速率；＝（2-4)10T2-T1V1V2大量实验测得，温度每升高10度，化学反应速率通常增大到原来的2～4倍。在3支大小相同的试管中各装入2-3mL5%的H2O2溶液，再向其中2支试管中分别加入少量MnO2粉末、1-2滴1mol/LFeCl3溶液。对比观察现象。实验2-6化学反应方程式为：2H2O2===2H2O+O2↑实验2－6现象结论加入MnO2加入FeCl3不加其它试剂立即有大量气泡产生催化剂MnO2能加快反应速率有大量气泡产生催化剂FeCl3能加快反应速率溶液中有少量气泡出现不用催化剂，化学反应速率很小※在其它条件不变时，催化剂通常可以加快化学反应速率；不同催化剂对同一个反应的催化能力不同。补充实验实验步骤：在2支试管里分别加入黄豆粒大小的Na2CO3粉末，在其中一支试管里滴入2mL3mol/L的HCl，另外一支试管里滴入2mL1mol/L的HCl，对比观察现象，将你看到的现象记录下来。补充实验盐酸现象结论3mol/L的HCl1mol/L的HCl化学反应方程式为：Na2CO3+2HCl===2NaCl+2H2O+CO2↑产生气泡速度快产生气泡速度慢浓度大反应速率快浓度小反应速率慢※在其他条件不变时，增大反应物的浓度，可以加快化学反应速率压强N2+3H22NH3铁触媒500ºC20MPa----50MPa对于有气体参加的化学反应，增大压强（反应物的浓度增大）可以加快化学反应速率。影响化学反应速率的外界因素除了温度、催化剂、浓度外，还有没有其他的因素呢？请看下面的例子：增大反应物的接触面积，可以加快化学反应速率烧火煮饭，先将木柴劈小。⒈为什么要将食物存放在温度低的地方（如电冰箱）？温度越低，化学反应速率越小，低温下食物腐败速率大大降低，不易变质。⒉实验时，通常要将两种块状或颗粒粒状的固体药品研细，并混匀后再进行反应。原因是什么？固体研细后，固体表面积增加，增大了反应物之间的接触面积，可以提高化学反应速率。⒊人们常把固体试剂溶于水配成溶液再进行化学实验，原因是什么？溶液中溶质以分子或离子形式存在，且分布均匀，使反应物分子或离子间直接接触的机会极大地增加，可以大大提高反应速率。⒋实验室常用约30％左右的硫酸溶液与锌粒反应制取氢气，当反应进行一段时间后，气泡变少（锌粒有剩余），如果添加一些适当浓度的硫酸溶液到反应容器中，气泡又会重新增多起来。原因是什么？增大反应物的浓度，使反应物之间接触的机会增大，加快化学反应速率。4、影响化学反应速率的因素浓度：温度：催化剂：浓度越大，反应速率越快温度越高，反应速率越快催化剂一般加快反应速率从上面的实验和事例可以看出：温度、固体颗粒的表面积、反应物的状态、溶液的浓度、催化剂、压强、光照、电磁波、超声波、溶剂的性质等都可以对化学反应的速率产生影响，人们可以通过这些因素来调控化学反应速率。神奇的催化剂P49催化剂能极大地改变化学反应速率，而自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化。思考与交流2：你能说出催化剂对化学反应进行快慢的影响在生活中、生产中和化学实验中有什么例子、应用吗？1.煤碳炉用的煤球2.酿酒思考与交流1：催化剂有什么特性？高效性选择性(专一性)3.加酶洗衣粉4.食物的消化吸收煤球中混入粘土，据说既可使煤渣透气，而使煤充分燃烧，又可作为煤燃烧的催化剂。根据煤炭的质量和发热值，加入5～30％的粘土，0～10％的自来水图2-18净化汽车尾气的催化剂和载体煤油的燃烧、爆炸可以控制吗？同样是煤油，因反应快慢不同，我们看到的是这样的场景：煤油炉取暖我们知道在化学反应中，反应物之间是按照化学方程式中的计量关系进行反应的，那么，一个化学反应在实际进行时，反应物能否按相应的计量关系完全转化为生成物呢？难溶二、化学反应的限度图2—19炼铁高炉高炉的高度增加了，为什么炉气中CO的比例没发生变化呢？加高实验2-7Ca2++SO42-=CaSO41、向CaCl2溶液中滴加Na2SO4溶液，直到不再产生沉淀为止。2、取上层清液，滴加Na2CO3溶液溶液中的Ca2+是否已经完全沉淀？仍能看到产生沉淀，说明溶液中的Ca2+并没有完全沉淀。Ca2++CO32-=CaCO3微溶，溶液中仍有少量Ca2+CaSO4=Ca2++SO42-可见，不少化学反应都不能完全进行，对于可逆反应，这种现象犹为明显：SO2+H2OH2SO3Cl2+H2OHCl+HClOH2+I22HI正反应逆反应典型的可逆反应有:N2+3H22NH3催化剂高温高压2SO2+O22SO3催化剂高温1.可逆反应在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的反应.（1）定义（2）特点：反应物不能完全转化为生成物，即可逆反应有一定的限度，反应物和生成物共存于同一体系中。①同时性②同条件③可逆性④普遍性p51条件不同，它们都不是可逆反应。⌒V进水V出水→→﹏﹏﹏—————————————————————————一定条件下，在一固定的密闭容器中加入1moLN2和3moLH2会发生怎样的反应呢？————————————————————反应速率v(正)v(逆)t1时间（t）0(1)0~t1：v(正)v(逆)(2)t1：v(正)=v(逆)→平衡状态图2—20N2+3H22NH3铁触媒500ºC20MPa----50MPa正反应：N2+3H2→2NH3逆反应：2NH3→N2+3H22.反应所能达到的限度——化学平衡￣在一定条件下，当一个可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度与生成物的浓度不再改变，达到一种表面静止的状态，称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。是该可逆反应所能达到或完成的最大程度，即该反应进行的限度。（1）定义（3）主要特征（2）适用对象可逆反应①逆：研究对象---可逆反应②等：v(正)=v(逆)④定：反应混合物中各组分的浓度保持不变（一定），各组分的含量保持不变。③动：动态平衡（v(正)=v(逆)≠0）⑤变：当条件发生变化时，反应所能达到的限度随之发生变化。原化学平衡被破坏，直至在新的条件下建立新的平衡为止。化学平衡是一定条件下的平衡。改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。反应速率v(正)v(逆)t1时间（t）0⑥同：对于一个特定的可逆反应,如果条件相同，不管采取何种方式和途径进行最终都能达到相同的平衡状态。化学平衡与反应途径无关N2+3H22NH3铁触媒500ºC20MPa----50MPa1mol3mol2mol0mol0.5mol1.5mol+0.5mol+1.5mol0mol0mol0mol化学平衡是一定条件下的平衡※改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。标志（宏观）——定反应混合物中各组分的●浓度保持不变实质（微观）——等ν（正）=ν（逆）①V正=V逆（4）判断一定条件下，可逆反应是否达到化学平衡状态的方法和依据③混合体系中各组分浓度、物质的量、气体压强(反应前后体积发生变化)、质量分数等等不变②混合体系中各组分的含量不变直接间接※对于有利的反应：促进设法加快反应速率以提高生产或工作效率；※对于有害的反应：抑制减缓反应速率；设法促进反应的完成程度以提高原料的利用率或转化率。三、化学反应条件的控制减少甚至消除有害物质的产生，控制副反应的发生；（1）1.燃料充分燃烧的意义我们目前使用得最多的燃料是煤、石油、天然气等，它们都是由古代动植物遗体埋在地层下，并在地壳中经过一系列非常复杂的变化而逐渐形成的。因此，它们被称为化石燃料。这些燃料在地球上的蕴藏量是有限的，而且又都是经过亿万年才能形成的非再生能源，用一些就会减少一些，最终会枯竭。因此，如何来控制燃烧反应，使燃料充分燃烧，这对于节约能源，提高燃料的利用率非常重要。煤炭直接燃烧不仅产生大量烟尘，而且煤中所含的硫在燃烧时会生成SO2，这是导致形成酸雨的主要原因之一。因此，发展洁净煤技术、减少污染物的排放、提高煤炭利用率，已成为我国乃至国际上的一项重要研究课题。煤的气化和液化是高效、清洁地利用煤炭的重要途径。煤经过处理后，除了可以得到气体燃料外，还可以得到液体燃料，如甲醇等。固体煤经处理变为气体或液体燃料后，不仅在燃烧时可以大大减少SO2和烟尘对大气造成的污染，而且燃烧效率高，也便于输送。燃料燃烧时，如果燃烧不完全，不仅使燃料燃烧产生的热量减少，浪费资源，而且还会产生大量的CO等有毒有害物质。这些CO及燃烧不完全的固体小颗