师:同学们好,很高兴又和大家见面了。今天我们要学习人教版必修2第二章第三节第一课时——化学反应速率。大家先看本节课的三个学习目标。通过前面的学习,我们知道选择合适的反应能实现期望的物质转变和能量转变。在科学研究和工业生产中,我们还得关心反应的快慢。大家看这些图片,都是生活中常见的例子,它们的快慢差异很大吧?第一个图,爆炸瞬间就能完成,我们说它很快;而溶洞的形成通常要以万年来计算,非常非常慢。钢铁生锈通常需要数月或数年,我们说它较慢;牛奶变质通常几天就完成了,我们说这个反应比较快。那我们是根据什么来判断和比较反应的快慢呢?前面我们主要用定性观察法,通过观察产生气泡的快慢、颜色变化、固体量减少、浑浊程度以及温度变化的快慢来比较和判断。但这里得出的快和慢只是定性的判断,是相对而言的。
如果我们想定量描述和比较,就需要统一的定义或标准。物理上用速率描述物体运动的快慢,在化学上,我们类似地用化学反应速率来定量表示化学反应的快慢。先来看看化学反应速率的概念: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(注意减少量和增加量都取正值)来表示化学反应的快慢,这就是化学反应速率。那怎么把这个概念转化为数学表达式呢?
我们用(V_{b})代表(b)物质的化学反应速率,(b)对应具体的反应物或生成物,计算时替换成具体物质。这里考察的是浓度变化量,用(\Delta c)表示,因为是单位时间内的浓度变化量,所以要用(\Delta c)除以(\Delta t)。这样,化学反应速率的数学表达式就是(V_{b}=\frac{\Delta c}{\Delta t})。从表达式可以看到,(\Delta c)的单位是摩尔每升,(\Delta t)的单位是分钟或者秒,所以化学反应速率的单位就是(mol/(L·min))或者(mol/(L·s))。同学们注意,这个单位是有括号的,写的时候不要遗漏。
下面通过两道例题学习如何计算化学反应速率。先看例题一,审题:某反应的反应物浓度在5分钟内由6摩尔每升变成了2摩尔每升,要求以该反应物浓度的变化来表示这个反应在这段时间内的平均反应速率。我们先写出速率的数学表达式(V=\frac{\Delta c}{\Delta t}),关键是找出浓度变化量和时间变化量。浓度变化量是起始浓度减去后来的浓度,起始浓度是6摩尔每升,后来变成2摩尔每升,所以浓度变化量就是(6mol/L - 2mol/L)。从题中可知反应时间是5分钟,代入表达式,可得反应速率是(0.8mol/(L·min))。
这里要留意,我们计算出来的是平均反应速率,是一段时间内的平均反应速率,不是某个时刻的瞬时速率。下面看例2,审题:某温度下,在2升的容器中发生一个反应,表格给出了(a)、(b)、(c)三种物质的物质的量变化,要求计算反应开始到10秒时,用(a)和(c)表示的反应速率。根据数学表达式,关键要找出(a)和(c)的浓度变化量以及反应时间。但表格给的是物质的量,所以要进行转化,浓度等于物质的量除以体积,容器体积是2升。
先看用(a)表示的反应速率,写出计算公式(V_{a}=\frac{\Delta c_{a}}{\Delta t})。从表格找(a)的浓度变化量,(a)起始物质的量是(1.0)摩,除以2升得到起始浓度;10秒末物质的量是(0.6)摩尔,除以2升得到10秒末浓度,两者相减就是(a)的浓度变化量。变化时间是10秒,代入分母,计算得到(a)表示的反应速率是(0.02mol/(L·s))。
同理,计算用(c)表示的反应速率。(c)10秒末物质的量是(0.8)摩,除以2升得到10秒末浓度,起始浓度是(0),相减得到浓度变化量,除以时间10秒,计算得到用(c)表示的反应速率是(0.04mol/(L·s))。
从这里可以体会到,同一个化学反应,同一段时间,用不同物质表示的反应速率数值不一样,但意义相同,都表示这个反应在这一段时间里的快慢程度。所以提醒同学们注意,因为同一个反应同一段时间用不同物质表示的反应速率可能不同,所以计算速率时要注明是用哪一个具体物质来表示速率,写在速率后面的括号里,浓度变化量也要标注具体物质。
速率知道怎么定量表示了,那么有哪些条件会影响化学反应速率呢?下面通过实验探究。先看第一个实验,如果把同样大小的钠和钾分别投入水中,哪个反应会更快一点?这个实验之前做过,有同学能回忆起实验现象,显然钾比钠反应更剧烈。从这个实验可以得出,影响化学反应速率的内因是物质本身的性质,物质越活泼,反应速率越快。
这是内因,在内因固定的情况下,也就是研究同一个反应时,有哪些外界条件会影响化学反应速率呢?下面通过课本的两个实验探究。先看课本实验2 - 6,请同学们一边观看实验视频,一边做好记录,填写课本上的实验记录表格。
在三支大小相同的试管中放好等量的双氧水,向左侧一支试管滴入两滴三氯化铁溶液,在最右侧试管加入少量二氧化锰,中间试管什么都不加,作为对比。可以明显观察到加入催化剂后的双氧水分解速率加快,中间的双氧水没有明显变化。
实验看完了,整理实验现象。加入二氧化锰粉末的试管,溶液中产生气泡的速率很快;加入氯化铁溶液的试管,产生气泡的速率较快;不加其他试剂的试管,仅有少量气泡。这里研究的是过氧化氢分解反应,二氧化锰和氯化铁都是这个反应的催化剂。加入催化剂后气泡产生速率快,说明同一个反应的化学反应速率增大了。由此得出结论,催化剂能改变化学反应速率。还会发现,二氧化锰的催化效果比氯化铁溶液更好一点。这就是实验2 - 6研究的催化剂对化学反应速率的影响。下面继续看实验2 - 5。同样请大家边看视频边做好记录。
