《第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)速率課件》高中化學(xué)人教版選修4化學(xué)反應(yīng)原理37435_第1頁
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文檔簡介

本章是《化學(xué)2》第二章第三節(jié)《化學(xué)反應(yīng)的速率和限度》的延伸?;瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理,是中學(xué)化學(xué)的重要理論之一,也是化學(xué)反應(yīng)原理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本章包含四部分內(nèi)容。第一節(jié)講述化學(xué)反應(yīng)速率的概念及表示方法,通過實(shí)驗(yàn)引入定量探究的方法。通過探究分析,得出同一反應(yīng)用不同的物質(zhì)表示反應(yīng)速率時(shí)數(shù)值之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。第二節(jié)通過實(shí)驗(yàn)探究法討論了化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素:濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等;同時(shí)簡單介紹了影響速率的其他因素如光輻照、放射線輻照、超聲波、電弧、強(qiáng)磁場、高速研磨等。凡是向反應(yīng)體系中輸入能量,都有可能改變化學(xué)反應(yīng)速率。第三節(jié)是化學(xué)平衡,主要介紹了反應(yīng)的可逆與否,化學(xué)平衡狀態(tài),以實(shí)驗(yàn)的方法探究化學(xué)平衡狀態(tài)的移動(dòng);化學(xué)平衡常數(shù)的引入,使我們從定量的角度來探究化學(xué)平衡,化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用是高考的重點(diǎn)之一。第四節(jié)介紹化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向問題,提出了熵變、焓變的概念,并說明運(yùn)用復(fù)合判據(jù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方向的判斷更適合所有的化學(xué)反應(yīng)過程?!颈菊轮攸c(diǎn)】化學(xué)反應(yīng)速率;影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素;化學(xué)平衡狀態(tài);化學(xué)平衡常數(shù);影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素;勒夏特列原理;化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的判斷?!颈菊码y點(diǎn)】影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素;化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷;化學(xué)平衡常數(shù);化學(xué)平衡的移動(dòng)及勒夏特列原理;化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的判斷;焓與熵的含義;根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算。第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率1.了解化學(xué)反應(yīng)速率的涵義。2.理解化學(xué)反應(yīng)速率的表達(dá)式及其簡單計(jì)算。3.了解化學(xué)反應(yīng)速率的測量方法。1.表述方法:在容積不變的反應(yīng)器中,通常是用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示。2.?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)式:式中υ表示反應(yīng)速率,c表示各反應(yīng)物或生成物的濃度,Δc表示其濃度變化(取其絕對值),t表示時(shí)間,Δt表示時(shí)間變化。3.特別說明:(1)速率表述的共同之處:①都有一個(gè)確定的起點(diǎn)(速率=0);②都有一個(gè)與速率大小相匹配的時(shí)間單位;③都有能說明體系某種變化的可計(jì)量的性質(zhì)(如質(zhì)量、體積、壓強(qiáng)、濃度等)。(2)以具體某一種物質(zhì)B表示的化學(xué)反應(yīng)速率為:Δc的單位一般用mol/L表示;而Δt的單位一般用s(秒)、min(分鐘)、h(小時(shí))等表示;所示υ的單位可以是mol/(L·s)或mol/(L·min)或mol/(L·h)等。(3)由于Δc是取濃度變化的絕對值,故反應(yīng)速率都取正值。(4)對于一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng),涉及反應(yīng)物和生成物多種物質(zhì),中學(xué)化學(xué)里,通?;\統(tǒng)地說化學(xué)反應(yīng)速率的快慢時(shí),往往對整體化學(xué)反應(yīng)而言,如中和反應(yīng)很快、酯化較慢;這里的反應(yīng)速率,是用某一具體物質(zhì)定量地表達(dá)某一反應(yīng)的反應(yīng)快慢。(5)同一個(gè)化學(xué)反應(yīng),在同一段時(shí)間內(nèi),用不同物質(zhì)表示反應(yīng)速率時(shí),數(shù)值不同,但表達(dá)的意義卻相同。(6)在一定溫度下,固體和純液體物質(zhì),單位體積里的物質(zhì)的量保持不變,即物質(zhì)的量濃度為常數(shù),因此它們的化學(xué)反應(yīng)速率也被視為常數(shù)。(7)由于在一定時(shí)間內(nèi)的化學(xué)反應(yīng),有關(guān)物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度是連續(xù)地變化的,所以化學(xué)反應(yīng)速率有平均速率和即時(shí)(或瞬時(shí))速率之分。在中學(xué)化學(xué)里,通常說的化學(xué)反應(yīng)速率一般是指平均速率。在速率——時(shí)間圖像中經(jīng)常出現(xiàn)瞬時(shí)速率,如鋅粒在0.1mol/L的稀鹽酸中反應(yīng),一定溫度下的反應(yīng)速率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如上圖所示。圖像的A點(diǎn)就是在反應(yīng)時(shí)間t1時(shí)刻的瞬時(shí)反應(yīng)速率?!癜咐觥纠?】下列說法正確的是()A.化學(xué)反應(yīng)速率是對可逆反應(yīng)而言的,非可逆反應(yīng)不談化學(xué)反應(yīng)速率B.在可逆反應(yīng)里,正反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率是正值,逆反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率是負(fù)值C.在同一化學(xué)反應(yīng)里,其化學(xué)反應(yīng)速率可以用反應(yīng)物濃度的改變來表示,也可以用生成物濃度的改變來表示,其數(shù)值可能相同,也可能不相同D.化學(xué)反應(yīng)速率的單位可以是g·L-1·s-1,也可以是kg·L-1·s-1,甚至可以用t·L-1·s-1等來表示[解析]

由其概念知,化學(xué)反應(yīng)速率的研究對象是所有的反應(yīng),并非專指可逆反應(yīng)。單位時(shí)間(Δt)是正值,反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加(Δc)是正值,則化學(xué)反應(yīng)速率無負(fù)值。由可看出,反應(yīng)速率不會(huì)出g·L-1·s-1等以質(zhì)量變化來表示的單位。[答案]

C[點(diǎn)評]應(yīng)熟練掌握化學(xué)反應(yīng)速率的概念及表示方法并能理解其含義。下面有關(guān)化學(xué)反應(yīng)速率的說法中正確的是 ()A.對任何化學(xué)反應(yīng)來說,反應(yīng)速率越大,反應(yīng)現(xiàn)象就越明顯B.化學(xué)反應(yīng)速率通常用單位時(shí)間內(nèi)任何一種反應(yīng)物濃度的減少或任何一種生成物濃度的增加來表示C.若某化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率為0.5mol/(L·s)就是指在該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物和生成物的濃度變化都為0.5mol/(L·s)D.化學(xué)反應(yīng)速率是用來衡量化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行快慢的尺度[解析]

化學(xué)反應(yīng)速率是用來衡量化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢的。通常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減小或生成物濃度的增加來表示。并要指明是以哪一種物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)橐圆煌奈镔|(zhì)來表示的反應(yīng)速率也不相同,且固體物質(zhì)的濃度變化無法確定。[答案]

D1.將化學(xué)反應(yīng)速率的概念和化學(xué)方程式的意義聯(lián)系起來,充分利用以下相等的比例關(guān)系:化學(xué)方程式中各物質(zhì)前的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比=各物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中變化的物質(zhì)的量之比=各物質(zhì)在反應(yīng)中變化的物質(zhì)的量濃度之比=用各物質(zhì)表示的該化學(xué)反應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)的平均反應(yīng)速率之比。2.求解化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算題一般步驟:(1)寫出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。(2)找出各物質(zhì)的起始量、轉(zhuǎn)化量、某時(shí)刻量。(3)根據(jù)已知條件列方程計(jì)算。例如:反應(yīng)mA+nBpC起始濃度(mol/L)a

b

c轉(zhuǎn)化濃度(mol/L)x

某時(shí)刻濃度(mol/L)(4)計(jì)算中注意以下量關(guān)系:①對反應(yīng)物:c(起始)-c(轉(zhuǎn)化)=c(某時(shí)刻)②對生成物:c(起始)+c(轉(zhuǎn)化)=c(某時(shí)刻)3.化學(xué)反應(yīng)速率的比較(1)選用同種物質(zhì)作標(biāo)準(zhǔn)換算成同一物質(zhì)、同一單位表示,再比較數(shù)值大小。(2)比較化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量數(shù)的比值:如反應(yīng)aA+bBcC,要比較υ(A)與υ(B)的相對大小,即比較,則A的反應(yīng)速率比B大。注意:(1)起始量、轉(zhuǎn)化量、某時(shí)刻量三者物理量及單位要統(tǒng)一,都是物質(zhì)的量或物質(zhì)的量濃度,否則無法計(jì)算。(2)起始量、轉(zhuǎn)化量、某時(shí)刻量中,只有不同物質(zhì)的轉(zhuǎn)化量之比等于對應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比,不同物質(zhì)的起始量或某時(shí)刻量之間沒有必然的關(guān)系,不能列比例式計(jì)算。●案例精析【例2】一密閉容器內(nèi)裝有SO2和O2,反應(yīng)開始時(shí),SO2濃度為2mol/L,O2濃度為2mol/L,兩分鐘后,測得SO2濃度為1.8mol/L,則兩分鐘內(nèi)SO2的平均反應(yīng)速率是多少?O2和SO3的平均反應(yīng)速率又分別是多少?通過計(jì)算,比較三者速率有何聯(lián)系?[解析]

2SO2+O22SO3起始濃度(mol/L)220變化濃度(mol/L)0.20.10.22min后濃度(mol/L)1.81.90.2υ(SO2)∶υ(O2)∶υ(SO3)=2∶1∶2,同一反應(yīng)在相同條件下可用不同物質(zhì)來表示其反應(yīng)速率,其比值等于化學(xué)方程式中相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。[答案]

SO2的平均反應(yīng)速率為0.1mol/(L·min),O2的平均反應(yīng)速率為0.05mol/(L·min),SO3的平均反應(yīng)速率為0.1mol/(L·min),三者速率之比等于化學(xué)反應(yīng)方程式中相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。已知4NH3+5O24NO+6H2O(氣)反應(yīng)中,在某一時(shí)刻各物質(zhì)的反應(yīng)速率分別為υ(NH3),υ(O2),υ(NO),υ(H2O)單位為(mol·L-1·min-1),則下列關(guān)系式不正確的是 ()A.υ(NH3)>υ(O2),υ(NO)<υ(H2O)B.υ(NH3)<υ(O2),υ(NO)<υ(H2O)C.υ(H2O)>υ(O2)>υ(NH3)=υ(NO)[解析]

在同一化學(xué)反應(yīng)中,選用不同物質(zhì)表示反應(yīng)速率時(shí)其數(shù)值往往不同,但不同物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于該反應(yīng)中各物質(zhì)的系數(shù)之比,因此可根據(jù)4NH3+5O24NO+6H2O各物質(zhì)量的關(guān)系來換算各物質(zhì)的反應(yīng)速率關(guān)系:綜合上述推算,B、C、D中各物質(zhì)反應(yīng)速率間的關(guān)系正確,惟有選項(xiàng)A中的υ(NH3)>υ(O2)是錯(cuò)誤的。[答案]

A

【例4】某溫度時(shí),在2升容器中X、Y、Z三種物質(zhì)的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線如圖所示。由圖中數(shù)據(jù)分析,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。反應(yīng)開始2分鐘,Z的平均反應(yīng)速率為________。[解析]

從上圖可以看出X、Y的濃度減少,可以判斷X、Y是反應(yīng)物,Z的濃度增加,可以判斷Z是生成物。X的物質(zhì)的量減少1.0mol-0.7mol=0.3mol,Y的物質(zhì)的量減少1.0mol-0.9mol=0.1mol,Z的物質(zhì)的量增加0.2mol,因此以X、Y、Z表示的反應(yīng)速率分別為:因?yàn)棣?X)∶υ(Y)∶υ(Z)=3∶1∶2,且該反應(yīng)為可逆反應(yīng)。故該化學(xué)反應(yīng)的方程式為:3X+Y2ZZ的平均反應(yīng)速率為0.05mol/(L·min)。[答案]3X+Y2Z0.05mol/(L·min)[點(diǎn)評]反速率是單位時(shí)間內(nèi)濃度的變化量,而不是單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量的變化量?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式的系數(shù)比即為各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比。求化學(xué)方程式,先找反應(yīng)物和生成物,再找化學(xué)計(jì)量數(shù)之比。反應(yīng)A+3B=2C+2D在四種不同情況下的反應(yīng)速率分別為:①υ(A)=0.15mol·L-1·s-1②υ(B)=0.6mol·L-1·s-1③υ(C)=0.4mol·L-1·s-1④υ(D)=0.45mol·L-1·s-1該反應(yīng)進(jìn)行的快慢順序?yàn)? ()A.④>③=②>①B.④<③=②<①C.①>②>③>④ D.④>③>②>①[解析]

比較反應(yīng)速率大小時(shí),不僅要看反應(yīng)速率數(shù)值的大小,還要結(jié)合化學(xué)方程式中物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)的大小進(jìn)行比較。(有時(shí)還要考慮速率的單位)方法一:由反應(yīng)速率之比與物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比,比較后作出判斷。由化學(xué)方程式A+3B=2C+2D得出:υ(A)∶(B)=1∶3,而υ(A)∶υ(B)=0.15∶0.6=1∶4,故υ(B)>υ(A),從而得②>①。υ(B)∶υ(C)=3∶2,而υ(B)∶υ(C)=0.6∶0.4=3∶2,故υ(B)=υ(C),從而得③=②。υ(C)∶υ(D)=2∶2=1∶1,而υ(C)∶υ(D)=0.4∶0.45,故υ(D)>υ(C),從而得④>③。故該反應(yīng)進(jìn)行的快慢順序?yàn)棰埽劲郏舰冢劲?。方法二:將不同物質(zhì)表示的速率換算為用同一物質(zhì)表示的速率,再比較速率數(shù)值的大小。若以物質(zhì)A為標(biāo)準(zhǔn),將其它物質(zhì)表示的反應(yīng)速率換算為用A物質(zhì)表示的速率,則有:υ(A)∶υ(B)=1:3,則②表示的υ(A)=0.2mol/(L·s);υ(A)∶υ(C)=1:2,則③表示的υ(A)=0.2mol/(L·s);υ(A)∶υ(D)=1:2,則④表示的υ(A)=0.225mol/(L·s);

故反應(yīng)進(jìn)行的快慢順序?yàn)棰埽劲郏舰冢劲?。[答案]A[點(diǎn)評]在同一個(gè)反應(yīng)中用不同的物質(zhì)來表示同一段時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)速率時(shí),其數(shù)值可以是不同的,但表示這個(gè)反應(yīng)速率的含義是相同的。在容積為10L的密閉容器中,通入40molN2和120molH2,在一定條件下進(jìn)行反應(yīng),2s后達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí)N2的濃度為2mol/L。試求:(1)用H2濃度表示的2s內(nèi)的平均反應(yīng)速率。(2)N2的轉(zhuǎn)化率。(3)平衡時(shí)NH3的體積分?jǐn)?shù)。[解析]

N2+3H22NH3起始量/mol401200平衡量/mol206040變化量/mol206040(1)υ(N2)==3mol/(L·s)

(2)N2的轉(zhuǎn)化率:×100%=50%

(3)平衡時(shí)N2的體積分?jǐn)?shù):×100%=33.3%[答案]

(1)3mol/(L·s)(2)50%(3)33.3%(2006·四川)一定溫度下,在2L的密閉容器中,X、Y、Z三種氣體的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化的曲線如圖所示。下列描述正確的是 ()A.反應(yīng)開始到10s時(shí),用Z表示的反應(yīng)速率為0.158mol/(L·s)B.反應(yīng)開始到10s時(shí),X的物質(zhì)的量濃度減少了0.79mol/LC.反應(yīng)開始到10s時(shí),Y的轉(zhuǎn)化率為79.0%D.反應(yīng)的化學(xué)方程式為X(g)+Y(g)Z(g)[解析]

首先根據(jù)各物質(zhì)的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線,明確X、Y為反應(yīng)物,Z為產(chǎn)物,反應(yīng)開始到10s時(shí),υ(Z)=

=0.079mol·L-1·s-1,υ(X)=

×0.079mol·L-1·s-1,υ(Y)

υ(Y)=

×0.079mol·L-1·s-1。由速率之比等于各物質(zhì)的計(jì)量數(shù)之比得,n(X)∶n(Y)∶n(Z)=1:1:2,化學(xué)反應(yīng)方程為X(g)+Y(g)2Z(g),因此A、B、D項(xiàng)錯(cuò)。[答案]

C1.化學(xué)反應(yīng)速率測量的基本思路化學(xué)反應(yīng)速率是通過實(shí)驗(yàn)測定的。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)中發(fā)生變化的是體系中的化學(xué)物質(zhì)(包括反應(yīng)物和生成物),所以與其中任何一種化學(xué)物質(zhì)的濃度(或質(zhì)量)相關(guān)的性質(zhì)在測量反應(yīng)速率時(shí)都可以加以利用。2.用于化學(xué)反應(yīng)速率測量的物質(zhì)的性質(zhì)(1)直接可觀察的性質(zhì),如釋放出氣體的體積和體系的壓強(qiáng)。(2)依靠科學(xué)儀器才能測量的性質(zhì),如顏色的深淺、光的吸收、光的發(fā)射、導(dǎo)電能力等。(3)在溶液中,當(dāng)反應(yīng)物或產(chǎn)物本身有比較明顯的顏色時(shí),常常利用顏色深淺和顯色物質(zhì)濃度間的正比關(guān)系來跟蹤反應(yīng)的過程和測量反應(yīng)速率。3.測定化學(xué)反應(yīng)速率的物理方法測定化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)鍵是測定某一時(shí)間間隔內(nèi),反應(yīng)體系中某物質(zhì)濃度的變化。由于物質(zhì)的某些物理性質(zhì)(如壓強(qiáng)、體積、吸光度、電導(dǎo)率等)與其物質(zhì)的量或濃度存在的函數(shù)關(guān)系,因此人們常用物理方法準(zhǔn)確而快速地測定反應(yīng)物或生成物濃度的變化來確定化學(xué)反應(yīng)速率。常用于測定化學(xué)反應(yīng)速率的物理方法有以下幾種。(1)量氣法對于反應(yīng):2H2O22H2O+O2↑,可測量反應(yīng)中惟一的氣體產(chǎn)物氧氣在溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)的體積變化。(2)比色法由于物質(zhì)對特定波長的光的吸收性能不同,因此可以通過吸光度來測定反應(yīng)物濃度。例如,在丙酮的溴化反應(yīng)過程中:CH3COCH3+Br2―→CH3COCH2Br+HBr有色反應(yīng)物Br2吸收波長為450nm的光波,因此可用分光光度計(jì)測量溶液對該波長的吸光度,據(jù)此計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率。(3)電導(dǎo)法根據(jù)離子導(dǎo)電能力的差異,通過電導(dǎo)率的變化測定反應(yīng)物中離子濃度的變化,從而計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率。例如,在乙酸乙酯水解反應(yīng)中:CH3COOC2H5+OH-―→CH3COO-+C2H5OH由于OH-的電導(dǎo)遠(yuǎn)大于CH3COO-的電導(dǎo),可以利用電導(dǎo)儀測量出溶液電導(dǎo)的變化,據(jù)此求得OH-濃度的變化,從而求得化學(xué)反應(yīng)速率?!癜咐觥纠?】反應(yīng)速率υ和反應(yīng)物濃度的關(guān)系是用實(shí)驗(yàn)方法測定的?;瘜W(xué)反應(yīng)H2+Cl2=2HCl的反應(yīng)速率可表示為υ=K[c(H2)]m·[c(Cl2)]n,式中K為常數(shù),m、n值可用下表中數(shù)據(jù)確定之。c(H2)(mol·L-1)c(Cl2)(mol·L-1)υ(mol·L-1·s-1)1.01.01.0K2.01.02.0K2.04.04.0K由此可推得,m、n值正確的是 ()A.m=1、n=1 B.m=、n=C.m=、n=1 D.m=1、n=[解析]

這是一道利用數(shù)據(jù)信息探討化學(xué)反應(yīng)速率與濃度之間的定量關(guān)系的學(xué)科內(nèi)綜合題,解答本題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確理解題供數(shù)據(jù)所反映的規(guī)律,再根據(jù)相關(guān)規(guī)律求值。將題中第二組數(shù)據(jù)代入關(guān)系式中可得,2m=2,因此m=1;再將第三組數(shù)據(jù)代入關(guān)系式中可得,2m×4n=4.0即4n=2,則n=1/2[答案]D[點(diǎn)評]本題是以化學(xué)反應(yīng)“速率方程式”為背景的信息遷移題,意在考查同學(xué)們接受信息處理數(shù)據(jù)的能力。下表數(shù)據(jù)是在某高溫下,金屬鎂和鎳分別在氧氣中進(jìn)行氧化反應(yīng)時(shí),在金屬表面生成氧化薄膜的實(shí)驗(yàn)記錄:反應(yīng)時(shí)間:t/h1491625MgO層厚Y/nm0.05a0.20a0.45a0.80a1.25aNiO層厚Y′/nmb2b3b4b5b注:a和b均為與溫度有關(guān)的常數(shù)請?zhí)羁栈卮穑?1)金屬高溫氧化腐蝕速率可以用金屬氧化膜的生長速率來表示,其理由是_______________________________。(2)金屬氧化膜的膜厚Y跟時(shí)間t所呈現(xiàn)的關(guān)系是(填“直線”、“拋物線”、“對數(shù)”或“雙曲線”等類型):MgO氧化膜厚Y屬________型,NiO氧化膜厚Y′屬________型。(3)Mg與Ni比較,哪一種金屬具有良好的耐氧化腐蝕性:______,其理由是:___________________________。[解析]

金屬因高溫被氧化而遭到破壞是常見的一種腐蝕現(xiàn)象,不同的金屬因其所形成的氧化膜致密程度的不同而腐蝕性不同。(1)因化學(xué)反應(yīng)的快慢既可用反應(yīng)物的消耗速率表示,也可用生成物的生成速率表示,所以金屬的腐蝕速率可用其氧化膜的生長速率來表示。(2)分析題中數(shù)據(jù)不難想像出以下數(shù)學(xué)模型:時(shí)間從1h到4h,Y從0.05a增至0.2a,厚度增至原來的4倍;時(shí)間從1h到9h,Y從0.05a增至0.45a,厚度增至原來的9倍,可知MgO厚度Y與時(shí)間t關(guān)系為Y=0.05at。時(shí)間從1h到4h,Y′從b增至2b;時(shí)間從1h到9h,Y′從b增至3b,可知NiO膜厚Y′與時(shí)間關(guān)系為Y′=b·t1/2。由數(shù)學(xué)知識(shí)知,前者為直線型,后者為拋物線型,據(jù)此可知,Y′隨時(shí)間t增長比Y隨時(shí)間增長得慢,故而鎳的耐高溫腐蝕性能比鎂好。[答案](1)反應(yīng)速率可以用反應(yīng)物的消耗速率,也可以用產(chǎn)物的生成速率來表示(2)直線拋物線(3)Ni它的腐蝕速率隨時(shí)間的增長比鎂的要慢[點(diǎn)評]注意在解答(3)時(shí),有的同學(xué)誤認(rèn)為膜厚度變化大的更耐腐蝕。本題考查學(xué)生研究解決實(shí)際問題的能力,需要綜合運(yùn)用化學(xué)和數(shù)學(xué)的某些知識(shí)。從實(shí)際數(shù)據(jù)出發(fā),建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出解釋,這是化學(xué)研究問題常用的一種方法。一、研究化學(xué)反應(yīng)原理的方法——概念模型法1.建立簡化的有效碰撞模型的設(shè)想為了突出化學(xué)反應(yīng)最重要的內(nèi)涵,忽略其他因素的干擾作用,選擇氣相反應(yīng)體系作為研究有效碰撞的基本模型。其優(yōu)點(diǎn)是:氣體分子運(yùn)動(dòng)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身體積所占有的空間,環(huán)境影響因素相對較小。該概念模型最重要的內(nèi)容也更加突出,更容易掌握。如在水溶液中的反應(yīng),水占較大的量,研究水溶液中的化學(xué)反應(yīng)就不能忽略水分子的作用。2.模型的基本構(gòu)架——簡化后的有效碰撞模型(1)模型的建構(gòu)。在一個(gè)潔凈的容器中,使氫氣與氧氣按體積比2比1的比例混合,氣體分子因自由運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生碰撞(互相撞觸)——這是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的必要條件。(2)假設(shè)與事實(shí)。研究結(jié)果表明,從分子的熱運(yùn)動(dòng)來看,分子發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)很多。如在常溫常壓下每個(gè)氫分子、氧分子自身或它們之間的碰撞幾率為2.355×1010次/秒。假如每次碰撞都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng),則化學(xué)變化瞬間即可完成,但事實(shí)并非如此。(3)立論。并不是每次分子間的碰撞都會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng),只有其中很少一部分氣體分子的碰撞是有效的,即有效碰撞——這是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的充分條件。3.活化分子和活化能(1)對該模型的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。如右圖所示,具有足夠能量(活化能)的分子——活化分子的碰撞是有效碰撞的必要條件,但不充分。只有當(dāng)活化分子采取合適的取向進(jìn)行碰撞時(shí)才能反應(yīng)。(2)活化分子。具有較高能量,能夠發(fā)生有效碰撞的分子叫活化分子。(3)活化能?;罨肿痈叱龇磻?yīng)物分子平均能量的部分,叫做活化能。如下圖所示。(4)活化能為0的反應(yīng)。我們很熟悉的離子反應(yīng)就是一個(gè)例證:H+和OH-、Ag+和Cl-在水溶液中混合時(shí),反應(yīng)幾乎都是在瞬間內(nèi)完成的。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為它們不需要活化能來推動(dòng)它們之間的反應(yīng)。還有一個(gè)人們不太熟悉的例子,那就是距離地面約50km~85km的大氣層,平均溫度只有-50℃,但是存在于其中的大量自由原子之間的反應(yīng),卻不需要活化能的推動(dòng)。

善于思考和分析問題的同學(xué)可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn),上面講的這兩類反應(yīng)不需要活化能的原因,是它們在反應(yīng)之前已經(jīng)成為自由的離子或原子,不再需要用來破壞或減弱化學(xué)鍵以便啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的“活化能”的緣故。有趣的是,這從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)了有效碰撞理論模型的合理性。(5)人們認(rèn)識(shí)的局限性?;瘜W(xué)反應(yīng)的活化能可以用實(shí)驗(yàn)方法測定,它對于人們了解化學(xué)反應(yīng)速率和影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素很有幫助。遺憾的是,到目前為止,人們還沒有完全掌握計(jì)算或推測化學(xué)反應(yīng)活化能的理論方法。這個(gè)工作可能要留給今后的化學(xué)家們?nèi)ネ瓿闪恕?6)結(jié)論。某一化學(xué)反應(yīng)速率的大小與單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞次數(shù)有關(guān),而有效碰撞次數(shù)的多少與單位體積內(nèi)反應(yīng)物中活化分子的多少有關(guān),活化分子的多少又與該反應(yīng)的活化能的大小有關(guān),活化能的大小是由反應(yīng)物分子的性質(zhì)決定的,而反應(yīng)物分子的性質(zhì)又與分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)??梢哉f,反應(yīng)物分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是決定化學(xué)反應(yīng)速率的內(nèi)因。那么,對于一個(gè)特定反應(yīng),人類如何利用和控制,還需要研究外界條件對它的影響。這將在后面的學(xué)習(xí)中繼續(xù)討論。4.催化劑(1)催化劑的特征。①高效性。如H2O2在常溫時(shí)無明顯分解現(xiàn)象,而加入少許MnO2后,劇烈反應(yīng),放出大量氣體:2H2O22H2O+O2↑。②專一性(選擇性)。某種催化劑只對特定的某個(gè)或某類反應(yīng)有催化作用。③催化劑在化學(xué)反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài),化學(xué)性質(zhì)和質(zhì)量都不變。(2)一些催化劑能加快反應(yīng)速率的原因。對于某些化學(xué)反應(yīng),使用催化劑可以加快化學(xué)反應(yīng)速率,原因是催化劑降低了反應(yīng)所需要的能量,使一些普通分子成為活化分子,從而增大了活化分子的百分?jǐn)?shù),分子發(fā)生有效碰撞的幾率增大,反應(yīng)速率加快。5.模型研究的意義(1)以可燃物燃燒條件的知識(shí)為例。利用已學(xué)的可燃物燃燒條件的知識(shí),建立如圖所示的模型。可燃物的燃燒必須有氧氣參與并使溫度達(dá)到著火點(diǎn),產(chǎn)生新物質(zhì)的同時(shí)有能量的釋放。不同的可燃物,其著火點(diǎn)不同,同樣道理,只有反應(yīng)物分子獲得足夠的能量(活化能)并具有合適的取向時(shí)才能發(fā)生有效碰撞,產(chǎn)生新物質(zhì)并伴隨有能量的變化。(2)總結(jié)。同其他科學(xué)研究一樣,當(dāng)我們研究某個(gè)問題的時(shí)候,需要提取本質(zhì)的內(nèi)容而控制其他干擾因素來進(jìn)行。概念模型是一種比較抽象的模型,需要有意識(shí)地忽略事物的某些特征,抽象出關(guān)鍵的因素,使各因素之間的關(guān)系更清晰,更利于對研究對象的把握,以減少可能引起的偏差。概念模型法是科學(xué)發(fā)展史上重要的方法之一,我們通過緒言的學(xué)習(xí)應(yīng)獲得一定的認(rèn)識(shí)。二、化學(xué)反應(yīng)的活化能實(shí)驗(yàn)證明,只有發(fā)生碰撞的分子的能量等于或超過一

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