中學(xué)化學(xué)實驗-影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的探究

PAGEPAGE1影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的探究一．實驗?zāi)康模?.通過實驗探究濃度、壓強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識其一般規(guī)律。2.掌握在實驗中控制不同變量因素的方法，并能結(jié)合實驗原理得出實驗?zāi)康幕蚪Y(jié)論。二．實驗原理：化學(xué)反應(yīng)是破壞舊化學(xué)鍵，形成新化學(xué)鍵的過程。不同化學(xué)鍵，鍵能不同，鍵的牢固程度不同，所以不同物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的難易不同，反應(yīng)速率也不同；而對同一化學(xué)反應(yīng)來說，濃度、溫度和催化劑等條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響也不一樣。可逆反應(yīng)在一定條件下進(jìn)行到一定程度時，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等。這時在反應(yīng)物和生成物的混合物中，反應(yīng)物不再減少，生成物不再增加，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素是反應(yīng)物的性質(zhì)，是內(nèi)在因素，我們?nèi)祟愂遣荒芨淖冞@個因素的。但是，當(dāng)一個反應(yīng)確定之后，我們可以尊重其客觀規(guī)律的基礎(chǔ)上通過改變外界條件來改變這個反應(yīng)的速率，使它按著我們?nèi)祟愋枰乃俾蔬M(jìn)行。影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的探究方法主要是控制變量法,控制變量法(或叫做參照法)指對于特定反應(yīng),只改變一個外界條件(溫度、濃度、催化劑或接觸面),其它條件不變,通過測定化學(xué)反應(yīng)速率變化判斷該條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律。三．實驗用品：1.試劑30%的過氧化氫溶液、二氧化錳粉末、0.1mol/LFeCl3溶液、0.1mol/LCuSO4溶液、冰水。2.儀器小試管、10mL量筒、大燒杯、藥匙、氣球、試管架、膠頭滴管、電爐、秒表。四．實驗步驟和現(xiàn)象記錄1.濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響表1濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.分別往三個小試管中加入5ml30%的H2O2溶液，再分別在試管口套上裝有一樣大小的MnO2的氣球。=1\*GB3①該實驗的目的是探究溫度對反應(yīng)速率的影響，我們以溫度為自變量，氣球膨脹程度為因變量，催發(fā)劑、反應(yīng)物用量及濃度為無關(guān)變量，在反應(yīng)過程中控制無關(guān)變量的一致性。=2\*GB3②把催化劑先放置在氣球中，可保證反應(yīng)開始時刻的一致性，且操作方便。2.把三支試管分別放入約80℃的熱水浴、室溫下的水以及0℃的冰水浴中，同時把氣球中的MnO2抖落，觀察實驗現(xiàn)象。3min后，熱水浴中的試管氣球明顯鼓起，且反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡，可以看到催化劑上下翻滾；室溫下水浴的試管中氣球有膨脹但無法立起，且反應(yīng)產(chǎn)生較多氣泡；冰水浴中的試管氣球略有膨脹，且反應(yīng)產(chǎn)生較少氣泡。從實驗現(xiàn)象可以看出，相同時間內(nèi)，溫度較高的條件下氣球膨脹程度較大，生成氧氣較多。H2O2的分解速率隨著溫度的升高而增大。3.約10min后停止反應(yīng)，把試管從水浴中取出，觀察現(xiàn)象。從熱水浴中取出的試管反應(yīng)基本結(jié)束，試管中無氣泡產(chǎn)生，氣球不再繼續(xù)膨脹；從室溫下水浴中取出的試管反應(yīng)仍在進(jìn)行，產(chǎn)生少量氣泡，氣球繼續(xù)膨脹，膨脹程度較大；從冰水浴中取出的試管，反應(yīng)仍在進(jìn)行，產(chǎn)生較多氣泡，氣球繼續(xù)膨脹，膨脹程度較小。由于反應(yīng)物的總量是一樣的，所以最終生成的氧氣量應(yīng)該是相等的。熱水浴中的反應(yīng)速率最快，H2O2基本被分解，反應(yīng)基本結(jié)束；常溫水浴中與冰水浴中的反應(yīng)較慢，因此反應(yīng)仍然繼續(xù)，冰水浴的反應(yīng)速率最慢，因此試管中剩余H2O2濃度最高，因此產(chǎn)生氣泡最多。4．實驗結(jié)束，清洗實驗儀器。2.溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響表2溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.配制三個濃度梯度的H2O2溶液：將實驗室中已有的30%過氧化氫溶液用燒杯加水（1：2）稀釋至10%；以及實驗室已有濃度為30%和3%的過氧化氫溶液準(zhǔn)備階段：實驗室已有濃度為30%的過氧化氫溶液和二氧化錳固體。該實驗的目的是探究濃度對反應(yīng)速率的影響，我們以過氧化氫溶液濃度為自變量，氣球膨脹程度為因變量，催發(fā)劑、反應(yīng)物用量及溫度為無關(guān)變量，在反應(yīng)過程中控制無關(guān)變量的一致性。2.取三支潔凈的試管，各濃度溶液取10ml加入試管中，給每根試管標(biāo)號；取一勺MnO2固體放入氣球中，排凈氣球中的空氣，將氣球分別套在試管上。把催化劑先放置在氣球中，可保證反應(yīng)開始時刻的一致性，且操作方便。3．將氣球中的MnO2固體傾入試管中，并迅速按下秒表計時，觀察實驗現(xiàn)象。0Min：剛加入MnO2固體時，溶液中開始有大量的氣泡產(chǎn)出，但無法明顯地分辨出哪個濃度的過氧化氫溶液反應(yīng)速率較快。5min：反應(yīng)進(jìn)行了5分鐘后，3支試管中的過氧化氫溶液的反應(yīng)速率均有所減緩，并且3%的減慢最為明顯，試管壁微微發(fā)熱；3個氣球均膨脹，但底物濃度為30%的氣球膨脹最為明顯，10%次之，3%肉眼難以分辨，但用手捏氣球可感受到氣球內(nèi)有一定的氣體。10min：底物濃度為3%的過氧化氫溶液反應(yīng)基本趨于停止；其他兩支試管也只有少量氣泡生成。底物濃度為30%的過氧化氫溶液的氣球繼續(xù)膨脹，剩余兩個氣球并沒有明顯繼續(xù)膨大，氣球的膨脹的程度：30%＞10%＞3%；=1\*GB3①從實驗現(xiàn)象可以看出，在室溫下，相同時間內(nèi)，濃度最大的試管反應(yīng)速率最快，氣球膨脹程度較大，生成氧氣較多；濃度為10%的試管反應(yīng)速率次之，也有較多氧氣產(chǎn)生；濃度為3%的試管的反應(yīng)速度較慢，產(chǎn)生的氧氣較少。=2\*GB3②10min之后，由于反應(yīng)的進(jìn)行消耗了二氧化氫溶液，試管中反應(yīng)物濃度比一開始減少了，所以反應(yīng)速率都降低。4．實驗結(jié)束，清洗實驗儀器。3.催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響表3催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.在室溫下，分別往4支小試管中加入10mL15%的過氧化氫溶液。（15%的過氧化氫溶液由30%的過氧化氫溶液加水以1:1稀釋得到。）準(zhǔn)備階段：1-4號試管（已加過氧化氫溶液）該實驗的目的是探究催化劑對反應(yīng)速率的影響，我們以催化劑為自變量，氣球膨脹程度為因變量，催發(fā)劑、反應(yīng)物用量及濃度為無關(guān)變量，并加入了一個不加催化劑的試管作為對照，在反應(yīng)過程中控制無關(guān)變量的一致性。2.1號試管不添加催化劑，作為對照。往2號試管口套上裝有一小塊MnO2固體的藍(lán)色氣球，把氣球中MnO2固體倒進(jìn)試管中同時，分別往3號試管加入0.1mol/LFeCl3溶液1mL，4號試管中加入0.1mol/LCuSO4溶液1mL。啟動秒表計時，并記錄實驗現(xiàn)（10min）。反應(yīng)開始：1號試管（不加催化劑）：無明顯的反應(yīng)現(xiàn)象，沒有看到氣泡產(chǎn)生。2號試管（加二氧化錳）：反應(yīng)劇烈，有大量氣泡產(chǎn)生，氣球有感覺到稍微鼓起。3號試管（加FeCl3溶液）：反應(yīng)速度快，有較多氣泡產(chǎn)生，氣球也稍微鼓起。4號試管（加CuSO4溶液）：有一點點氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)速度慢。10min后：1號和4號試管氣球都沒有明顯膨脹起來，2號和3號試管氣球有稍微膨脹，2號試管氣多一些。=1\*GB3①把催化劑（二氧化錳）先放置在氣球中，可保證反應(yīng)開始時刻的一致性，且操作方便。=2\*GB3②從實驗現(xiàn)象可以看出，在室溫下，相同時間內(nèi)，以二氧化錳作為催化劑的試管反應(yīng)速率最快，氣球膨脹程度較大，生成氧氣較多；以0.1mol/LFeCl3溶液為催化劑的反應(yīng)速率次之，也有較多氧氣產(chǎn)生；以0.1mol/LCuSO4溶液為催化劑的試管的反應(yīng)速度較慢，但比不加催化劑的試管1號快。3.把1-4號試管移動到盛有約80℃熱水的燒杯中，再觀察實驗現(xiàn)象（5min）。剛開始：1-4號試管中的反應(yīng)速度都加快了。過了1min之后：3號試管（加FeCl3溶液）反應(yīng)速度最快，氣球明顯脹大。再過了1min之后：2號試管（加二氧化錳）氣球也膨脹起來。反應(yīng)經(jīng)過5min后（反應(yīng)結(jié)束）：可以看出，3號試管（加FeCl3溶液）的氣球最大，2號試管（加二氧化錳）次之，1號和4號雖然反應(yīng)速度都加快了，但產(chǎn)生的氣體不足以把氣球撐起來，4號試管（加CuSO4溶液）反應(yīng)速度1號試管（不加催化劑）快。=1\*GB3①由于在室溫下差生的氧氣量不足以使氣球撐起，為了看到更加明顯的實驗現(xiàn)象，我們把1-4號試管放到熱水浴中。從實驗現(xiàn)象可以看出，溫度升高可以加快反應(yīng)速率，4支試管中的氣泡產(chǎn)生量都明顯增加，連1號試管（不加催化劑）都有微小氣泡生成。=2\*GB3②在熱水浴中，反應(yīng)速率最快的是以0.1mol/LFeCl3溶液為催化劑的試管，氣球很快就被撐起；以二氧化錳為催化劑的試管反應(yīng)速率次之，以0.1mol/LCuSO4溶液為催化劑的試管的反應(yīng)速度較慢，但比不加催化劑的試管1號快。4．實驗結(jié)束，清洗實驗儀器。五．實驗結(jié)果分析1.當(dāng)其他條件不變時，升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快；降低溫度，化學(xué)反應(yīng)速率減慢。加熱的主要作用可以歸納為兩個方面：一方面是通過提高溫度使分子獲得更高的能量，活化分子百分?jǐn)?shù)提高；另一個是因為含有較高能力的分子間的碰撞頻率也隨之提高。這兩個方面都使分子間有效碰撞的幾率提高，反應(yīng)速率因此也增大。2.當(dāng)其他條件不變時，增加反應(yīng)物的濃度，化學(xué)反應(yīng)速率加快；降低反應(yīng)物的濃度，化學(xué)反應(yīng)速率減慢。這是因為，對某一反應(yīng)來說，在其他條件不變時，反應(yīng)物中活化分子的百分?jǐn)?shù)是一定的，而單位體積內(nèi)活化分子的數(shù)目與單位體積內(nèi)反應(yīng)物的總數(shù)成正比，即與反應(yīng)的濃度成正比。反應(yīng)物濃度增大，活化分子數(shù)也增多，有效碰撞的幾率增加，反應(yīng)速率也就增大了。3.當(dāng)其他條件不變時，加入催化劑可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，不同催化劑加快的速率不同。化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行要根據(jù)自由能的變化，但僅僅根據(jù)自由能的變化還不能判斷反應(yīng)能否完成，因為化學(xué)反應(yīng)的完成還取決于反應(yīng)的能壘，即如果反應(yīng)能壘很高，則必須為其提供一定的能量，越過能壘，完成反應(yīng)。該能壘被稱為活化能。催化劑加快反應(yīng)速率的原因與溫度對反應(yīng)速率的影響是根本不同的。催化劑可以改變反應(yīng)的路線，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物分子中活化分子的百分?jǐn)?shù)增大，反應(yīng)速率加快。在均相催化中，催化劑跟反應(yīng)物分子或離子通常結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間物即活化絡(luò)合物。這一過程的活化能通常比較低，因此反應(yīng)速率快，然后中間物又跟另一反應(yīng)物迅速作用(活化能也較低)生成最終產(chǎn)物，并再生出催化劑。該過程可表示為：A＋B=AB(慢)A＋C=AC(快)AC＋B=AB＋C(快)式中A、B為反應(yīng)物，AB為產(chǎn)物，C為催化劑。由于反應(yīng)的途徑發(fā)生了改變，將一步進(jìn)行的反應(yīng)分為兩步進(jìn)行，兩步反應(yīng)的活化能之和也遠(yuǎn)比一步反應(yīng)的低。該理論被稱為“中間產(chǎn)物理論”。而催化劑的作用就是降低該活化能，使之在相對不苛刻的環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4.在過氧化氫分解實驗中，常溫下，二氧化錳的催化效果最好；熱水浴中，F(xiàn)eCl3溶液的催化效果最好。無機(jī)催化劑有最適溫度，只有在適宜的溫度在，無機(jī)催化劑的催化效率才會最高。較高的溫度使二氧化錳脫離其適宜的催化溫度范圍，而對于FeCl3溶液來說，較高的溫度反而使其催化性能提高。六．反思與評價“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”是人教版化學(xué)選修④《化學(xué)反應(yīng)原理》中第二章化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡第二節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容既是前一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率”的延續(xù)，也為下一節(jié)“化學(xué)平衡”內(nèi)容作鋪墊，在知識體系中起著承上啟下的作用。本節(jié)內(nèi)容主要是對影響化學(xué)反應(yīng)速率的內(nèi)部因素與外部因素進(jìn)行探討，其中外部因素主要從濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等角度進(jìn)行研究。除此之外，本節(jié)內(nèi)容也與該教材前言中介紹的碰撞理論遙相呼應(yīng)，碰撞理論可從微觀的角度較好地解釋這些外部因素是如何影響化學(xué)反應(yīng)速率的。本次實驗操作比較簡單，主要是以控制變量法改變不同的實驗條件（溫度、濃度、催化劑）來進(jìn)行探究。通過觀察實驗過程中，試管內(nèi)產(chǎn)生氣泡的快慢、多少，以及氣球膨脹的情況，來判斷不同條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。而通過進(jìn)行實驗，分析實驗現(xiàn)象，我們可以確定，溫度、濃度以及催化劑確實會對化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，升高溫度、增大濃度和加催化劑都會使化學(xué)反應(yīng)加快。實驗過程中，我們分成三個小組分別對不同變量進(jìn)行探究，過程中能嚴(yán)肅認(rèn)真，有條不紊地進(jìn)行實驗，并且一邊觀察實驗現(xiàn)象一邊思考討論實驗的結(jié)果，能夠快捷順利地完成實驗。因為實驗沒有要求精確測量，只需要根據(jù)實驗現(xiàn)象作判斷，所以可以順利地得出不同因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響情況。教師不能為做實驗而做實驗，做實驗是為了研究事物的內(nèi)在聯(lián)系，研究解決問題的方法。在實驗過程中，我們一邊觀察現(xiàn)象，一邊思考總結(jié)。反應(yīng)物量的多少、如何控制催化劑同時加入，如何直觀地看出反應(yīng)速率的快慢等，都有可能成為實驗失敗的元素。例如反應(yīng)物用量的控制，在正式進(jìn)行實驗前，我們先拿5mL3%的過氧化氫溶液進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)即使已加入催化劑二氧化錳，反應(yīng)速率還是比較慢。為了使實驗現(xiàn)象更加明顯，所以最后我們選擇了以30%的過氧化氫溶液進(jìn)行實