2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第七章第4课时　变量控制与速率常数的应用

第4课时　变量控制与速率常数的应用

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考点一　变量控制实验探究题

1.考查类型

(1)以表格的形式给出多组实验数据,让学生找出每组数据的变化对反应速率的影响。

(2)给出影响化学反应速率的几种因素,让学生设计实验分析各因素对反应速率的影响。

2.解题策略

考法一　在比较反应速率大小中的应用

[典例1] (2018·北京卷节选)(1)I-可以作为水溶液中SO2歧化反应的催化剂,可能的催化过程如下。将ⅱ补充完整。

ⅰ.SO2+4I-+4H+S↓+2I2+2H2O

ⅱ.I2+2H2O+　　 　　　+　　　+2I- 

(2)探究ⅰ、ⅱ反应速率与SO2 歧化反应速率的关系,实验如下:分别将18 mL SO2饱和溶液加入2 mL下列试剂中,密闭放置观察现象。(已知:I2易溶解在KI溶液中)

①B是A的对比实验,则a=　　　　。 

②比较A、B、C,可得出的结论是　              。 

③实验表明,SO2的歧化反应速率D>A,结合ⅰ、ⅱ反应速率解释原因:　      。 

解析:(1)根据歧化反应的特点,反应ⅰ生成S,则反应ⅱ需生成H2SO4,即I2将SO2氧化为H2SO4,反应的离子方程式为I2+2H2O+SO2+4H++2I-。

解析:(2)①对比实验只能存在一个变量,因实验B比实验A多了H2SO4溶液,则B中KI溶液的浓度应不变,故a=0.4。

②由表中实验现象可知,I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率。

③加入少量I2时,反应明显加快,说明反应ⅱ比反应ⅰ快;D中由反应ⅱ产生的H+使反应ⅰ加快。

答案:(1)SO2　　4H+

答案:(2)①0.4

②I-是SO2歧化反应的催化剂,H+单独存在时不具有催化作用,但H+可以加快歧化反应速率

③反应ⅱ比ⅰ快;D中由反应ⅱ产生的H+使反应ⅰ加快

[对点精练1] (2017·江苏卷)H2O2分解速率受多种因素影响。实验测得70 ℃时不同条件下H2O2浓度随时间的变化如图所示。下列说法正确的是(　D　)

A.图甲表明,其他条件相同时,H2O2浓度越小,其分解速率越快

B.图乙表明,其他条件相同时,溶液pH越小,H2O2分解速率越快

C.图丙表明,少量Mn2+存在时,溶液碱性越强,H2O2分解速率越快

D.图丙和图丁表明,碱性溶液中,Mn2+对H2O2分解速率的影响大

解析:由图甲可知,起始时H2O2的浓度越小,曲线下降越平缓,说明反应速率越慢,A项错误;OH-的浓度越大,pH越大,即0.1 mol·L-1 NaOH溶液对应的pH最大,曲线下降最快,即H2O2分解最快,B项错误;由图丙可知,相同时间内,0.1 mol·L-1 NaOH溶液条件下H2O2分解最快,0 mol·L-1 NaOH溶液条件下H2O2分解最慢,而 1.0 mol·L-1 NaOH溶液条件下H2O2的分解速率处于中间,C项错误;由图丙可知,三种浓度的NaOH溶液中,0.1 mol·L-1的反应速率最大,由图丁可知,碱性条件下c(Mn2+)越大,H2O2的分解速率越快,说明碱性条件下,Mn2+对H2O2分解速率影响较大,D项正确。

考法二　实验方案的设计与评价

[典例2] (2019·山东临沂模拟)实验室用Zn与稀H2SO4反应来制取氢气,常加少量CuSO4来加快反应速率。为了研究CuSO4的量对H2生成速率的影响,某同学设计了实验方案(见下表),将表中所给的试剂按一定体积混合后,分别加入四个盛有相同大小的Zn片(过量)的反应瓶(甲、乙、丙、丁)中,收集产生的气体,并记录收集相同体积的气体所需的时间。

下列说法正确的是(　　)

A.t1<t2<t3<t4 B.V4=V5=10

C.V6=7.5 D.V1<V2<V3<20

解析:研究CuSO4的量对H2生成速率的影响时,实验中只能改变加入饱和CuSO4溶液的体积,其余影响化学反应速率的因素都必须相同,所加4 mol·L-1H2SO4溶液的体积都是20 mL,溶液的总体积为20 mL+10 mL=30 mL。所以,V1=V2=V3=20,V5=10,V6=7.5,V4=2。甲实验中没有加CuSO4溶液,不能形成原电池,反应速率最慢,时间t1最长。

答案:C

[对点精练2] 某课外兴趣小组对H2O2的分解速率做了如下实验探究。

(1)下表是该小组研究影响过氧化氢(H2O2)分解速率的因素时采集的一组数据:

用10 mL H2O2制取150 mL O2所需的时间

①该小组在设计方案时,考虑了浓度、a:　　　　　　、b:　　　　　　　等因素对过氧化氢分解速率的影响。 

②从上述影响H2O2分解速率的因素a和b中任选一个,说明该因素对该反应速率的影响:                                                           

                                                               　。 

(2)将质量相同但颗粒大小不同的MnO2分别加入5 mL 5%的双氧水中,并用带火星的木条测试。测定结果如下:

①写出H2O2发生反应的化学方程式:                                       

                                                               　。 

②实验结果说明催化剂作用的大小与　　　　　　　　　　　有关。 

解析:(1)①从本题提供的表格中的数据和条件进行分析可以得到在该小组设计方案时,考虑到了浓度、温度和催化剂对化学反应速率的影响。②分析(Ⅰ)、(Ⅱ)组实验可以得到在其他条件不变时,升高反应温度,H2O2分解速率加快;分析(Ⅱ)、(Ⅲ)组实验可以得到在其他条件不变时使用合适的催化剂,H2O2分解速率加快。

解析:(2)②在实验中可以看到在其他条件不变时,MnO2的颗粒大小不同使带火星的木条看到的现象不同,反应完成需要的时间也不同。

答案:(1)①温度　催化剂

②其他条件不变,升高反应温度,H2O2分解速率加快(或其他条件不变,使用合适的催化剂,H2O2分解速率加快等合理答案)

答案:(2)①2H2O22H2O+O2↑

②催化剂的颗粒大小(或催化剂的表面积)

考点二　速率常数及其应用

1.考查形式

(1)反应速率的比较与计算。

(2)k值的计算与应用。

2.速率方程与速率常数

(1)速率方程

简单反应的反应速率与反应物浓度以化学计量数为指数的幂的乘积成正比,例如A→产物,v=kc(A);A+B→产物,v=kc(A)c(B);2A→产物,v=kc2(A)。

(2)速率常数

速率表达式中的k即为速率常数,其数值等于反应物的浓度为1 mol·L-1的速率值。它只与温度、催化剂有关,与反应物浓度无关。

[典例] (2018·全国Ⅲ卷改编)对于反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)　ΔH=+48 kJ·mol-1,采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323 K和 343 K 时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。

(1)在343 K下,要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是　　　　　;要缩短反应达到平衡的时间,可采取的措施有　　　   　　　、　　   　　　。 

(2)比较a、b处反应速率大小:va　　　　vb(填“大于”“小于”或“等于”)。反应速率v=v正-v逆=k正-k逆,k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,x为物质的量分数,计算a处的=　　　　　(保留1位小数)。 

解析:温度越高,反应速率越快,达到平衡的时间越短,曲线a达到平衡的时间短,则曲线a代表343 K时SiHCl3的转化率变化曲线,曲线b代表323 K时SiHCl3的转化率变化曲线。

(1)在343 K时,要提高SiHCl3转化率,可采取的措施是及时移去产物,使平衡向右移动;要缩短反应达到平衡的时间,需加快化学反应速率,可采取的措施有提高反应物压强或浓度、改进催化剂等。

解析:(2)温度越高,反应速率越快,a点温度为343 K,b点温度为323 K,故反应速率:va大于vb。反应速率v=v正-v逆=k正-k 逆,则有v正=k正,v逆=k逆,343 K下反应达到平衡 状态时v正=v逆,即k正=k逆,此时SiHCl3的平衡转化率α=22%,经计算可得SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.78、0.11、0.11,则有k正×0.782=k逆×0.112,k正/k逆=0.112/0.782≈0.02。a处SiHCl3的平衡转化率α=20%,此时SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4的物质的量分数分别为0.8、0.1、0.1,则有v正/v逆=(k正)/(k逆)=·=0.02×≈1.3。

答案:(1)及时移去产物　改进催化剂　提高反应物压强(浓度)　 答案:(2)大于　1.3

[对点精练] (1)(2019·山东烟台一模节选)氮氧化物是空气的主要污染物之一,研究氮氧化物的性质对于防治空气污染有重要意义。回答下列问题:

温度为T1时,在三个容积均为1 L的密闭容器中仅发生反应:2NO(g)+O2(g)2NO2(g)　ΔH<0

实验测得:v正=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k正c2(NO)·c(O2),v逆=v(NO2)消耗=k逆c2(NO2),k正、k逆为速率常数,受温度影响。

温度为T1时,=　　　　　　;当温度升高为T2时,k正、k逆分别增大m倍和n倍,则m　　　　　　(填“>”“<”或“=”)n。 

(2)(2019·四川达州二诊)T1 ℃时,在1 L的恒容密闭容中充入1.2 mol的NO2,发生反应:2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)　ΔH>0,5 s达到平衡,测得平衡时 c(NO2)=0.4 mol/L。

①v(NO)=　　　　                      　　。 

②已知:v正=k正c2(NO2),v逆=k逆c2(NO)·c(O2)(k正、k逆仅受温度影响)。

T2 ℃时,k正=,则T1　　　　　　(填“>”或“<”)T2,其理由是　                                              

                                                              　。 

解析:(1)根据v正=v(NO)消耗=2v(O2)消耗=k正c2(NO)·c(O2),得出k正=,根据v逆==k逆c2(NO2),得出k逆=,当反应达到平衡时,v(NO)消耗=v(NO2)消耗,所以==K,

　　　　　　　　　　2NO(g)+O2(g)2NO2(g)

起始(mol·L-1)       0.6     0.3    0

转化(mol·L-1)       0.2     0.1    0.2

平衡(mol·L-1)       0.4     0.2    0.2

K===1.25,

2NO(g)+O2(g)2NO2(g)　ΔH<0,此反应正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小,由于k正/k逆=K,若温度升高为T2时,k正、k逆分别增大m倍和n倍,则m<n。

(2)①v(NO2)==0.16 mol/(L·s),

v(NO)=v(NO2)=0.16 mol/(L·s);

解析:②T1 ℃平衡时c(NO2)=0.4 mol/L、c(NO)=-0.4 mol/L=0.8 mol/L、c(O2)=c(NO)=0.4 mol/L,该温度下化学平衡常数K==1.6;

T2 ℃时,k正=k逆,v正=k正c2(NO2)=v逆=k逆c2(NO)·c(O2),则k正c2(NO2)=k逆c2(NO)·c(O2),K===1<1.6,该反应的正反应是吸热反应,升高温度化学平衡常数增大,故温度T1>T2。

答案:(1)1.25　<　(2)①0.16 mol/(L·s)　②>　T1 ℃平衡时c(NO2)=0.4 mol/L、c(NO)= -0.4 mol/L=0.8 mol/L、c(O2)=c(NO)=0.4 mol/L,该温度下化学平衡常数K==1.6;T2 ℃时,k正=k逆,v正=k正c2(NO2)=v逆=k逆c2(NO)·c(O2),则k正c2(NO2)=k逆c2(NO)·c(O2),K===1<1.6,该反应的正反应是吸热反应,升高温度化学平衡常数增大,所以温度T1>T2