师:今天我们一起来学习人教版选择性必修一第二章第一节化学反应速率的第一课时。这是本节课要达成的学习目标:一、知道化学反应速率的表示方法;二、了解测定化学反应速率的方法;三、能进行化学反应速率的简单计算。
不同化学反应的反应速率有大有小,烟花可以在瞬间爆炸,而溶洞的形成则需要很多年。那什么是化学反应速率呢?化学反应速率可以用单位时间内反应物浓度的减少Δc或生成物浓度的增加Δc来表示。化学反应速率,符号是v,数学表达式是v = Δc÷Δt 。如果题目中给出的是物质的量的变化量Δn,那么我们在计算速率时,应先除以体积V转化为物质的量浓度的变化量Δc。速率的单位为摩尔每升每秒(mol/(L·s)),或者摩尔每升每分(mol/(L·min)),或者摩尔每升每小时(mol/(L·h))。请大家注意单位的书写要规范。
另外需要注意的是:一、化学反应速率通常指的是某物质在某一段时间内的平均反应速率,而不是瞬时反应速率,所以化学反应速率是标量,只有正值。二、由于在反应中固体和纯液体的浓度是恒定不变的,因此一般不用固体或纯液体来表示化学反应速率。
对于一个化学反应:$mA + nB \longrightarrow pC + qD$,可以用任意一种物质的量浓度Δc随时间的变化Δt来表示该反应的化学反应速率。例如,A的反应速率$v_A$ = $\frac{\Delta c_A}{\Delta t}$ ,B的反应速率$v_B$ = $\frac{\Delta c_B}{\Delta t}$ ,C的反应速率$v_C$ = $\frac{\Delta c_C}{\Delta t}$ ,D的反应速率$v_D$ = $\frac{\Delta c_D}{\Delta t}$ 。
在同一反应中反应时间Δt相同,又因为变化量之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比,即可推出不同物质的化学反应速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比,也就是$v_A : v_B : v_C : v_D$ = $m : n : p : q$ 。
那么化学反应速率是如何进行计算的呢?例如在密闭容器中发生反应:$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ ,开始时氮气的浓度为0.8摩尔每升,5分钟后氮气的浓度变为0.7摩尔每升。当Δt = 5分钟时,氮气浓度的变化量为 - 0.1摩尔每升。根据化学方程式中各物质的化学计量数的关系,可得氢气的浓度变化量为 - 0.3摩尔每升,氨气浓度变化量为0.2摩尔每升。用氮气、氢气和氨气的浓度变化表示,化学反应速率分别为0.02摩尔每升每分、0.06摩尔每升每分和0.04摩尔每升每分。
在计算化学反应速率的过程中,当数据比较繁琐的时候,我们可以运用三段式来清晰化整个求解过程。那我们来看一下什么是三段式以及三段式求解的一般步骤:一、写出有关反应的化学方程式。二、找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。三、根据已知条件列方程计算。这里的数据处理需要注意:一、反应物的某时刻的量等于起始量减转化量,生成物的某时刻的量等于起始量加转化量。二、这里的量可以指物质的量,也可以指物质的量浓度,但要求量的概念要全部统一。下面我们来练习一下,运用三段式计算化学反应速率。
第一题,在两升的密闭容器中加入1摩尔氮气和3摩尔的氢气发生反应:$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ ,在2秒末时测得容器中含有0.4摩尔的氨气,求该反应在2秒内的化学反应速率。那么请大家现在动笔尝试做一下吧。
我们先写出它的化学方程式,然后找出氮气、氢气和氨气的起始的物质的量、变化的物质的量以及2秒末的物质的量的各组数据,注意不要忘记找出体积的数据。然后根据已知条件列方程计算,求得氮气的速率为0.05摩尔每升每秒,氢气的速率为0.15摩尔每升每秒。可知同一个化学反应速率大小可以用不同的物质来表示。在相同条件下用不同物质表示同一个反应的化学反应速率,它的数值可能不同,但意义是一样的,所以我们在描述反应速率时必须指明具体的物质。
我们再看一下第二题,已知氨气和氧气在催化剂作用下生成一氧化氮和水:$4NH_3 + 5O_2 \stackrel{催化剂}{=!=!=} 4NO + 6H_2O$ 。若反应速率分别用氨气的速率、一氧化氮的速率、水的速率表示,则下列关系式正确的是:
A. $\frac{4}{5}v(NH_3)$ = $v(O_2)$
B. $\frac{5}{6}v(O_2)$ = $v(H_2O)$
C. $\frac{2}{3}v(NH_3)$ = $v(H_2O)$
D. $\frac{4}{5}v(O_2)$ = $v(NO)$
请大家思考一下。
生:答案选D。
师:嗯,很好。我们可以由化学方程式推出氨气与氧气、一氧化氮、水的化学计量数之比等于4 : 5 : 4 : 6。又因为速率之比等于化学计量数之比,也就是氨气、氧气、一氧化氮、水的速率比等于4 : 5 : 4 : 6。因此我们可以得到所求的答案为D。
化学反应速率的大小又该如何进行比较呢?我们来看一下这道题,在一定条件下,对于$A_2 + 3B_2 \rightleftharpoons 2AB_3$ 来说,以下反应速率中,表示化学反应速率最大的是哪个选项?
A. $v(A_2)$ = 0.8摩尔每升每秒。
B. $v(A_2)$ = 6摩尔每升每分。
C. $v(AB_3)$ = 1.0摩尔每升每秒。
D. $v(B_2)$ = 1.2摩尔每升每秒。
请大家思考一下这道题的答案,并小结一下这类题目在解答过程中,我们需要注意什么问题呢?
