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摘 要:在高中化学核心素养和最新的化学考纲中,均突出了速率平衡的重要性。作为理科综合化学科难度较大的题目,掌握相关的速率平衡理论,对教师的教和学生的学,无疑都非常重要。
关键词:速率平衡;全国卷;速率方程
在最新的高中化学核心素养中,列举了包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任5个核心素养。其中第2条变化观念与平衡思想专门提到:认识化学变化有一定限度、速率,是可以调控的。速率平衡在化学核心素养短短的叙述中,都做了专门的提及,可见其重要性。
对于速率平衡这部分知识点,我从以下四个方面进行了思考:
一、v正、v逆的速率方程;
速率方程常见的是浓度、分压、物质的量分数三种表达式。在一定温度下,基元反应的速率与反应物浓度(以反应方程式中的计量系数为指数)的乘积成正比,该规律称为质量作用定律,近年高考常有涉及该考点的考查。例如对于基元反应:
2NO2(g)==2NO(g)+O2(g)v=kc2(NO2)
对于任意基元反应:mA+nB==pC+qDv=kcm(A)cn(B)
其中的一级反应如H2O2H2O+1/2O2↑,v=k.c(H2O2),每间隔相同时间,反应物H2O2的浓度减半。零级反应如固体的分解反应:2KClO32KCl+3O2↑,v=k,这是一个匀速反应,不是说每个反应的反应速率都会越来越慢。
我們来看2007年广东高考第22题:
“碘钟”实验中,3I-+S2O===I+2SO的反应速率可以用I与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量,t越小,反应速率越大。某探究性学习小组在20℃进行实验:
实验编号 ① ② ③ ④ ⑤
c(I-)/mol·L-1 0.040 0.080 0.080 0.160 0.120
c(S2O)/mol·L-1 0.040 0.040 0.080 0.020 0.040
t/s 88.0 44.0 22.0 44.0 t1
表格所罗列的数据中,其实就隐含了该反应的速率方程v=kc(I-)c(S2O)的定量关系,这类题目可以设问求速率方程。
二、v正、v逆、K的之间的关系;
再看v正、v逆、K的之间的关系,不难得出K=v正/v逆,这个考点在近几年高考中均有出现,教学中必须加以重视。2018年全国Ⅲ卷第28题(3)就对这一个考点进行了考查:
对于反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
反应速率v=v正?v逆=k正x2(SiHCl3)?k逆x(SiH2Cl2)x(SiCl4),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v正/v逆=__________(保留1位小数)。
该题目的最后一个空难度较高,但运用K=v正/v逆则比较简单:
K的值①问已经得到,a点可以求得 的值,最终得到答案。
三、Kc与Kp的换算;
接着我们看Kc与Kp的换算。虽然现在在高考中还没有出现,但在未来的高考题中是可能出现的。2018年全国I卷第28题(2)的④问对Kp进行了考查
F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5(g)分解:
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡,体系的总压强p随时间t的变化如下表所示(t=∞时,N2O5(g)完全分解):
t/min 0 40 80 160 260 1300 1700 ∞
p/kPa 35.8 40.3 42.5. 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1
④25℃时N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp=_______kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,计算结果保留1位小数)。
该题如果给了理想气体状态方程pV=nRT,则可进行Kc与Kp的换算。
因为pV=nRT,所以,所以c=p/RT。
对于反应N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp=p2(NO2)/p(N2O4)=13.4kPa。
通过以上推断,我们可以得到一个一般结论:
KC=Kp.(RT)Δn(Δn=反应前气体分子数-反应后气体分子数)。
四、阿仑尼乌斯经验公式的应用。
根据阿仑尼乌斯经验公式,可以得到以下结论:
(1)温度T越高,则速率常数k越大,化学反应速率越快;同时,反应的活化能Ea越小,则速率常数k越大,化学反应速率越快。
(2)对于活化能较大的化学反应,其反应速率随温度的升高增加较更快,为什么?证明过程如下:
从上面的推理过程,我们不难得出另外一个结论:对同一反应,温度变化相同时,在低温区速率常数随温度的升高而增加的倍数较大。因此,我们要改变反应速率,在低温区改变温度,效果更明显。
速率平衡这个题目难度较大、陌生度较高,通过以上讨论,我相信难点应该迎刃而解,老师的创新性命题和学生的精准作答应该都不是问题。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部制定《化学课程标准》人民教育出版社12017年版第3页.
[2]教育部考试中心《2017年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明》高等教育出版社2017年版第358页.
关键词:速率平衡;全国卷;速率方程
在最新的高中化学核心素养中,列举了包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任5个核心素养。其中第2条变化观念与平衡思想专门提到:认识化学变化有一定限度、速率,是可以调控的。速率平衡在化学核心素养短短的叙述中,都做了专门的提及,可见其重要性。
对于速率平衡这部分知识点,我从以下四个方面进行了思考:
一、v正、v逆的速率方程;
速率方程常见的是浓度、分压、物质的量分数三种表达式。在一定温度下,基元反应的速率与反应物浓度(以反应方程式中的计量系数为指数)的乘积成正比,该规律称为质量作用定律,近年高考常有涉及该考点的考查。例如对于基元反应:
2NO2(g)==2NO(g)+O2(g)v=kc2(NO2)
对于任意基元反应:mA+nB==pC+qDv=kcm(A)cn(B)
其中的一级反应如H2O2H2O+1/2O2↑,v=k.c(H2O2),每间隔相同时间,反应物H2O2的浓度减半。零级反应如固体的分解反应:2KClO32KCl+3O2↑,v=k,这是一个匀速反应,不是说每个反应的反应速率都会越来越慢。
我們来看2007年广东高考第22题:
“碘钟”实验中,3I-+S2O===I+2SO的反应速率可以用I与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量,t越小,反应速率越大。某探究性学习小组在20℃进行实验:
实验编号 ① ② ③ ④ ⑤
c(I-)/mol·L-1 0.040 0.080 0.080 0.160 0.120
c(S2O)/mol·L-1 0.040 0.040 0.080 0.020 0.040
t/s 88.0 44.0 22.0 44.0 t1
表格所罗列的数据中,其实就隐含了该反应的速率方程v=kc(I-)c(S2O)的定量关系,这类题目可以设问求速率方程。
二、v正、v逆、K的之间的关系;
再看v正、v逆、K的之间的关系,不难得出K=v正/v逆,这个考点在近几年高考中均有出现,教学中必须加以重视。2018年全国Ⅲ卷第28题(3)就对这一个考点进行了考查:
对于反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g),采用大孔弱碱性阴离子交换树脂催化剂,在323K和343K时SiHCl3的转化率随时间变化的结果如图所示。
反应速率v=v正?v逆=k正x2(SiHCl3)?k逆x(SiH2Cl2)x(SiCl4),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v正/v逆=__________(保留1位小数)。
该题目的最后一个空难度较高,但运用K=v正/v逆则比较简单:
K的值①问已经得到,a点可以求得 的值,最终得到答案。
三、Kc与Kp的换算;
接着我们看Kc与Kp的换算。虽然现在在高考中还没有出现,但在未来的高考题中是可能出现的。2018年全国I卷第28题(2)的④问对Kp进行了考查
F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5(g)分解:
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡,体系的总压强p随时间t的变化如下表所示(t=∞时,N2O5(g)完全分解):
t/min 0 40 80 160 260 1300 1700 ∞
p/kPa 35.8 40.3 42.5. 45.9 49.2 61.2 62.3 63.1
④25℃时N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp=_______kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,计算结果保留1位小数)。
该题如果给了理想气体状态方程pV=nRT,则可进行Kc与Kp的换算。
因为pV=nRT,所以,所以c=p/RT。
对于反应N2O4(g)2NO2(g)反应的平衡常数Kp=p2(NO2)/p(N2O4)=13.4kPa。
通过以上推断,我们可以得到一个一般结论:
KC=Kp.(RT)Δn(Δn=反应前气体分子数-反应后气体分子数)。
四、阿仑尼乌斯经验公式的应用。
根据阿仑尼乌斯经验公式,可以得到以下结论:
(1)温度T越高,则速率常数k越大,化学反应速率越快;同时,反应的活化能Ea越小,则速率常数k越大,化学反应速率越快。
(2)对于活化能较大的化学反应,其反应速率随温度的升高增加较更快,为什么?证明过程如下:
从上面的推理过程,我们不难得出另外一个结论:对同一反应,温度变化相同时,在低温区速率常数随温度的升高而增加的倍数较大。因此,我们要改变反应速率,在低温区改变温度,效果更明显。
速率平衡这个题目难度较大、陌生度较高,通过以上讨论,我相信难点应该迎刃而解,老师的创新性命题和学生的精准作答应该都不是问题。
参考文献:
[1]中华人民共和国教育部制定《化学课程标准》人民教育出版社12017年版第3页.
[2]教育部考试中心《2017年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明》高等教育出版社2017年版第358页.