师:同学们好,今天我们一起来学习高中化学,山东科技出版社高一年级必修二第二章第二节“化学反应的快慢与限度”的第一课时。大家请看两张图片,第一张是烟花燃放,第二张是生锈的钢铁。这两个过程都是化学变化,很明显,烟花燃放这个化学反应瞬间就能完成,而钢铁生锈却十分缓慢。
在物理学科中,速度是用来描述物体移动快慢的物理量,速度的大小叫速率。那么在化学学科里,有没有一个物理量可以用来描述化学反应的快慢呢?有,这个物理量就叫化学反应速率。在学习化学反应速率之前,我们先了解一下本节课的学习目标:一、知道化学反应速率的表示方法;二、通过实验探究学习化学反应速率的影响因素,认识到化学变化是有条件的,学习运用控制变量的方法研究化学反应。
我们先来学习化学反应速率。化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的物理量,符号为v。它的表示方法是用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示。根据这个表示方法,我们得到表达式:反应速率v = Δc÷Δt 。这里的Δc是浓度的变化量,指的是生成物浓度的增加或者反应物浓度的减小;Δt指的是时间段。根据这个表达式,我们可以知道化学反应速率最常用的两个单位是摩尔每升每分钟(mol/(L·min))或者摩尔每升每秒(mol/(L·s)),当然还有摩尔每升每小时(mol/(L·h))等不太常用的单位。
了解了化学反应速率的定义、表示方法、表达式和单位后,我们来看两个学以致用的例子。第一题,某物质在某一化学反应中的反应速率为0.5mol/(L·min),这表示什么意思呢?它表示该物质在1分钟时间内浓度增加了0.5mol/L,或者在1分钟时间内浓度减小了0.5mol/L。第二题,在A与B反应生成C的反应中,已知起始物质A的浓度为2mol/L,经过2分钟后其浓度变为1mol/L,求物质A在2分钟内的反应速率。根据反应速率的计算方法,物质A的反应速率v = 浓度的变化量÷时间段。这里A的浓度变化量从起始浓度2mol/L到1mol/L,变化量为1mol/L,时间段Δt = 2分钟,所以反应速率v = 0.5mol/(L·min) 。
学习了化学反应速率的基本知识,我们还需要注意五个方面的问题:
一、化学反应速率是一个标量,不像速度是矢量。化学反应速率只有大小,没有方向。
二、化学反应速率指的是某一物质在某一段时间内化学反应的平均速率,而不是某一时刻的瞬时速率。
三、由于在反应中,纯固体和纯液体的浓度是恒定不变的,因此对于由纯液体或纯固体参加的反应,一般不用纯液体或纯固体来表示化学反应速率。例如,纯液体水在4℃时,液态水密度为1g/mL ,1L水中含有1kg水,1kg除以水的摩尔质量18g/mol,可得4℃时液态水的物质的量浓度为1/18×1000mol/L,水的浓度与体积无关。同理,纯固体的物质的量浓度也为定值,与体积无关。所以,在化学反应中,纯固体和纯液体不能用来表示化学反应速率。
四、同一化学反应用不同的反应物表示的化学反应速率在数值上可能不同,但意义相同。用不同物质表示的化学反应速率在数值上等于该物质在方程式中的系数比。例如,对于反应mA + nB = pC + qD ,用A、B、C、D这四种物质表示的反应速率在数值上就等于它们在方程式中的系数比m : n : p : q 。
了解了不同物质表示的反应速率的关系后,我们来看一道学以致用的题目。已知氨气和氧气反应生成一氧化氮和水(注意这里水是气态,有浓度变化),若反应速率分别用氨气、氧气、一氧化氮和水表示,则正确的关系是:A选项,氨气表示的反应速率与氧气表示的反应速率根据在方程式中的系数比例关系,应该为4 : 5,而不是5 : 4,所以A选项错误;同理,B选项、C选项、D选项通过用不同物质表示的反应速率等于它们在方程式中的系数比例关系来判断。C选项中,用氨气表示的反应速率和水蒸气表示的反应速率为2 : 3,因此C选项为该题的正确答案。
五、在比较化学反应速率的大小的时候,要注意物质和单位的统一。我们再来看一道学以致用的题目,对于反应A + B = C + D ,在不同条件下用不同物质表示其反应速率,问此反应在不同条件下进行最快的选项是:A选项,用A表示的反应速率为0.6mol/(L·min);B选项,用B表示的反应速率是0.1mol/(L·min) 。根据不同物质表示的反应速率数值比例等于方程式中的系数比,我们很容易把B选项等同于A选项中用A物质表示的反应速率,转化后vA应该等于0.3mol/(L·min) 。C选项,注意C选项的单位,用C表示的反应速率是0.01mol/(L·s) ,因为1分钟 = 60秒,如果把C选项的单位转换一下,那么vC应该等于0.6mol/(L·min) ,再根据比例关系把C选项C物质表示的反应速率转化为方程式中A表示的同意义的反应速率,那么vA应该等于0.9mol/(L·min) ;D选项,用D物质表示的反应速率为0.5mol/(L·min) ,如果化为用A物质表示的反应速率,那么vA应该等于0.75mol/(L·min) 。通过分析,我们知道在四个选项中,C选项进行的化学反应速率最快。
学习了化学反应速率需要注意的5点后,我们来看一个阅读思考:
一、铁单质和铜单质在自然界中生锈的速率不同,为什么呢?很明显,因为铁单质的化学性质比铜单质活泼,所以影响该反应速率的最主要因素应该是物质本身的性质。
二、硫在纯氧气中和在空气中燃烧的剧烈程度不一样,这说明什么呢?硫在纯氧中燃烧比在空气中燃烧剧烈,是因为空气中氧气浓度较低,所以氧气的浓度影响到了该反应的速率。
