第2节 化学反应的速率 工业合成氨
………三年13考 高考指数:★★★★
1.了解化学反应速率的概念、反应速率的定量表示方法。
2.了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重要作用。
3.理解外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对反应速率的影响，并能用相关理论解释其一般规律。
4.了解反应速率和化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。
一、化学反应速率
1.定义：单位时间内___________________________________。
2.表达式
v=Δc/Δt，单位：____________________________，如密
闭容器中，合成氨的反应N2+3H2 2NH3，开始时c(N2)=
8 mol/L，2 min后c(N2)=4 mol/L，则用N2表示的反应速率为
________________。
反应物浓度的减少或生成物浓度的增加
mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1
2 mol·L-1·min-1
3.化学反应速率与化学方程式中系数的关系
对于已知反应mA(g)＋nB(g)====pC(g)＋qD(g)，其化学反应
速率可用不同的反应物或生成物来表示，当单位相同时，化
学反应速率的数值之比等于___________之比，
即v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=____________。
化学计量数
m∶n∶p∶q
二、影响化学反应速率的因素
1.内因
反应物本身的性质，是主要因素。如相同条件下Mg、Al与稀
盐酸反应的速率大小关系为______。
Mg>Al
2.外因
增大反应物浓度，反应速率增大；反之，减小。
升高温度，反应速率增大；反之，减小。
对于有气体参加的反应，增大压强，
反应速率增大；反之，减小。
使用催化剂，反应速率增大。
增大固体表面积、光照、超声波等，能够增大反应速率。
外 界 条 件 的 影 响
浓度
温度
压强
催化剂
其他
可总结为：速率要增大，增浓或加压；
升温尤显著，还可用催化。
3.理论解释——有效碰撞理论
(1)活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
(2)活化能：如图
能 量
反应过程
生成物
反应物
E1
E2
E3
图中：E1为_____________，使用催化剂时的活化能为___，反
应热为______。
(3)有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。
反应的活化能
E3
E1-E2
三、工业合成氨
1.反应特点
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH___0 ΔS___0
2.合成氨适宜条件的选择
(1)温度以______左右为宜；
(2)压强大致可分为_____(1×107 Pa)、 ____(2×107～3×107 Pa)
和_____(8.5×107～1×108 Pa)三种类型；
(3)用___做催化剂；
(4)按N2与H2的物质的量之比为_______投料并及时分离出_____。
＜
＜
700 K
低压
高压
铁
1∶2.8
NH3
中压
1.反应N2+3H2 2NH3反应一段时间，v(N2)为2 mol·L-1
·min-1，v(H2)为6 mol·L-1·min-1，则两者表示的该反应
的反应速率不同。( )
【分析】将两者表示的反应速率转化为同一种物质比较，两者的反应速率相同。
2.碳酸钙与盐酸反应过程中，再增加CaCO3固体可以增大反应
速率。( )
【分析】固体物质的量的多少对反应速率没有影响。
×
×
3.增大反应体系的压强，反应速率不一定增大。( )
【分析】压强仅对有气体参加的反应的反应速率有影响。
4.增大反应物的浓度，能够增大活化分子的百分含量，所以
反应速率增大。( )
【分析】增大反应物的浓度，不能增大活化分子的百分含量，只能增大单位体积内活化分子的个数。
√
×
5.在恒容容器中进行的反应2SO2+O2 2SO3，向容器中通
入N2，容器内压强增大，反应速率增大。( )
【分析】通入N2，容器内压强增大，但是SO2、O2、SO3各物质的浓度都没有改变，反应速率不变。
6.合成氨的反应是放热反应，所以工业合成氨时采用的温度
越低越好。( )
【分析】合成氨反应，低温时虽有利于转化率增大，但温度越低，反应速率越慢，且催化剂都有一定的温度要求，所以温度低时，产量太少，故并非是温度越低越好。
×
×
化学反应速率的计算及大小比较
1.“两法”计算反应速率
(1)定义式法。
v=Δc/Δt=Δn/(VΔt)
(2)化学计量数法。
对于任意化学反应：mA+nB====pC+qD，用不同反应物或生成
物表示的反应速率，数值之比等于化学计量数之比。若已知某
一反应物或生成物的反应速率，可以利用此关系求解未知的某
一反应物或生成物的反应速率。如已知反应N2＋3H2
2NH3，已知v(N2)=x mol·L-1·min-1，则可以求得v(H2)、v(NH3)
分别为3x mol·L-1·min-1、2x mol·L-1·min-1。
2.“两法”比较反应速率
(1)归一法。
将同一反应中的不同物质的反应速率转化成同一种物质的反应
速率，再进行比较。如：对于反应2SO2+O2 2SO3，如果①
v(SO2)=2 mol·L-1·min-1，②v(O2)=3 mol·L-1·min-1，③
v(SO3)=4 mol·L-1·min-1，比较反应速率的大小，可以将三者
表示的反应速率都转化为O2表示的反应速率再作比较。换算得
出：①v(O2)=1 mol·L-1·min-1，③v(O2)=2 mol·L-1·min-1，
则反应速率的大小关系为：②＞③＞①。
(2)比值法。
用各物质的量表示的反应速率除以对应各物质的化学计量数，然后再对求出的数值进行大小排序，数值大的反应速率快。如反应mA＋nB====pC＋qD，若v(A)/m >v(B)/n，则反应速率A>B。
【高考警示钟】
(1)比较同一反应中不同物质的化学反应速率时，要注意单位是否相同，如果单位不同，要化成相同的单位再进行比较。
(2)单位时间内反应物或生成物的物质的量变化大，反应速率不一定快，因为化学反应速率是用单位时间内反应物或生成物的浓度变化量来表示的。
【典例1】(2012·沈阳模拟)一定温度下，向容积为2 L的密闭容器中通入两种气体发生化学反应，反应中各物质的物质的量变化如图所示，对该反应的推断合理的是( )
A.该反应的化学方程式为3B＋4D 6A＋2C
B.反应进行到1 s时，v(A)＝v(D)
C.反应进行到6 s时，B的平均反应速率为
0.05 mol·L-1·s-1
D.反应进行到6 s时，各物质的反应速率相等
【解题指南】解答该题应该注意以下两点：
(1)根据物质的量随时间的变化确定反应物与生成物。
(2)根据相同时间段内各物质的物质的量变化确定化学计量数与反应速率之间的关系。
【解析】选C。根据各物质的物质的量随时间的变化图像可
知，A、D为生成物，B、C为反应物，在6 s时反应达到平衡，
A、B、C、D的物质的量变化分别为1.2 mol、0.6 mol、
0.8 mol、0.4 mol。
根据化学计量数之比等于变化的物质的量之比可知A、B、C、
D的化学计量数之比为6∶3∶4∶2，所以反应方程式为
3B＋4C 6A＋2D，A错；反应过程中和反应达到平衡时各
物质的反应速率之比等于化学计量数之比，B、D错；反应进
行到6 s时，B的平均反应速率为0.6 mol/(2 L×6 s)=
0.05 mol·L-1·s-1,C对。
【互动探究】(1)用A、B、C、D四种物质表示的该反应的反应速率，数值最大的是哪种物质？
提示：A，根据反应速率之比等于化学计量数之比可知，化学计量数越大，表示的反应速率越大。
(2)反应进行到1 s时，C的反应速率为多少？
提示：1 s时D的反应速率为0.2 mol/(2 L×1 s)=
0.1 mol·L-1·s-1，所以C的反应速率为v(C)=2v(D)=
0.2 mol·L-1·s-1。
化学反应速率图像及其应用
1.物质的量(或浓度)-时间图像的“两个”应用
例如：某温度时，在定容(V L)容器中，X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
根据图像可进行如下计算：
(1)确定某物质的平均速率、转化率，如：
v(X)= mol·L-1·s-1，Y的转化率= ×100%。
(2)确定化学方程式中的化学计量数之比。
如X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为：
(n1-n3)∶(n2-n3)∶n2。
2.速率-时间图像及应用(以可逆反应为例分析)
(1)改变反应物浓度——“v(正)突变，v(逆)渐变”。
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
增大反应物的浓度
平衡正向移动
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
减小反应物的浓度
平衡逆向移动
(2)改变生成物浓度——“v(正)渐变，v(逆)突变”。
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
增大生成物的浓度
平衡逆向移动
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
减小生成物的浓度
平衡正向移动
(3)改变气体体系的压强——“v(正)、v(逆)都突变”。
对于正反应方向气体体积增大的反应：
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
增大压强
平衡向体积缩小的方向移动
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
减小压强
平衡向体积增大的方向移动
(4)改变温度——“v(正)v(逆)都突变”。
对于正反应放热的反应：
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
升高温度
平衡向吸热方向移动
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）
v'（逆）
降低温度
平衡向放热方向移动
(5)加催化剂——v(正)、v(逆)都突变。
O
t
v
v（正）
v（逆）
v'（正）= v'（逆）
平衡不移动
【高考警示钟】
(1)通过图像分析反应条件或者通过改变条件绘制反应速率变化图像时要注意只有浓度改变时图像是连续的，改变压强、温度或使用催化剂时，图像是不连续的。
(2)对于有气体参加的反应，改变压强不一定改变反应速率。
①只有压强的改变同等程度的引起反应物和生成物浓度的改变时，才是改变压强。
②只是改变一种物质的浓度而引起的压强改变，不应该从压强角度分析，应该从浓度角度分析。
【拓展延伸】惰性气体对反应速率的影响
(1)恒容时充入惰性气体，容器内气体的压强增大，但是各反应物和生成物的浓度不变，反应速率不变。
(2)恒压容器中通入惰性气体，容器内压强不变，但是容器容积增大，各反应物和生成物的浓度减小，相当于减小压强，反应速率减小。
【典例2】可逆反应N2+3H2 2NH3是工业上合成氨的重要反应。
(1)根据图1请写出合成氨的热化学方程式_________________
___________(热量用E1、E2或E3表示)。
(2)图1中虚线部分是通过改变化学反应中的_________条件，该条件的改变与图2中哪一时刻条件的改变相同_________(用“t1…t6”形式表示)。
(3)t3时刻改变的条件是________，t5时刻改变的条件是_____。
【解题指南】解答本题时应注意以下三点：
(1)反应热与能量的关系；
(2)分析E1与E2不同的原因；
(3)图2中注意分析正、逆反应速率的变化程度及思考引起变化的原因。
【解析】(1)根据图1可知，从N2和H2反应生成1 mol NH3过程
中放出的热量为(E3-E1) kJ，所以N2与H2反应生成NH3的热化学
方程式为
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-2(E3-E1) kJ·mol-1。
(2)图1中虚线部分表示由反应物到达过渡态的过程中，所需
能量减少，说明使用了催化剂，降低了活化能。因为反应
N2＋3H2 2NH3为反应前后气体体积不相等的反应，在图2
中，t2时刻改变条件，正、逆反应速率的改变相同，说明改
变的外界条件只能是使用了催化剂。
(3)t3时刻改变条件后，正、逆反应速率都减小，且正反应速率小于逆反应速率、图像不连续。改变的条件只能从压强和温度考虑。若降低温度，因为正反应为放热反应，则应该是正反应速率减小程度小于逆反应速率减小程度，不符合；若是减小压强，因为正反应方向是气体体积减小的方向，应该正反应速率减小程度大于逆反应速率减小程度，符合。所以改变的条件是减小压强。
t5时刻改变条件正、逆反应速率都增大，且逆反应速率大于正反应速率、图像不连续。从增大反应速率的措施考虑，只能是升高温度或增大压强。若是升高温度，因为正反应是放热反应，应该是正反应速率增大程度小于逆反应速率增大程度，符合；若是增大压强，因为正反应方向是气体体积减小的方向，增大压强则正反应速率增大程度应该大于逆反应速率增大程度，不符合。所以改变的条件只能是升高温度。
答案：(1)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
ΔH=-2(E3-E1) kJ·mol-1
(2)催化剂 t2…t3 (3)减小压强 升高温度
【技巧点拨】根据速率-时间图像判断反应条件的方法
(1)看图像中正、逆反应速率的变化趋势，两者是同等程度的变化，还是不同程度的变化。同等程度的变化一般从压强(反应前后气体体积不变的反应)和催化剂考虑；若是不同程度的变化，从温度、浓度、压强(反应前后气体体积改变的反应)角度考虑。
(2)对于反应速率变化不相等的反应，要注意观察改变某个条件瞬间，正、逆反应速率的大小关系及变化趋势。同时要联系外界条件对反应速率的影响规律，加以筛选、验证、排除。
【变式训练】如图表示反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ΔH<0的正反应速率随时间的变化情况，试根据如图曲线判断下列说法可能正确的是( )
A.t1时只减小了压强
B.t1时只降低了温度
C.t1时增加了SO2和O2的浓度，平衡向正反应方向移动
D.t1时减小SO2浓度的同时，增加了SO3的浓度
【解析】选D。因为图像表示的是正反应速率随时间的变化图像，在0～t1时刻反应达到平衡，即v(正)=v(逆)。在t1时刻改变条件的瞬间，因为v(正)小于0～t1时刻的反应速率，且在t2时刻达到新的平衡后，v′(正)大于0～t1时刻的反应速率。根据反应速率随外界因素的变化图像可知，t1时v(正)改变压强、温度，v(正)、v(逆)的变化应该是相同的，增大都增大，减小都减小，所以A、B错；若在t1时刻增大SO2和O2的浓度，则正反应速率应该增大，不是减小，C错；t1时减小SO2浓度，v(正)瞬间减小，同时增加SO3浓度，v(逆)瞬间增大，且因为v(正)【变式备选】某密闭容器中充入等物质的量的气体A和B，一定温度下发生反应：
A(g)+xB(g) 2C(g)，达到平衡后，只改变反应的一个条件，测得容器中物质的浓度、反应速率随时间变化如图所示。下列说法中正确的是( )
A.8 min时表示正反应速率等于逆反应速率
B.前20 min A的反应速率为0.05 mol·L-1·min-1
C.反应方程式中的x=1，30 min时表示增大压强
D.40 min时改变的条件是升高温度，且正反应为吸热反应
【解析】选B。因为8 min时没有达到平衡，正、逆反应速率不相等，A错；前20 min，C的浓度变化为2.0 mol·L-1，C的反应速率为2.0 mol·L-1/20 min=0.1 mol·L-1·min-1，根据反应方程式可知，A的反应速率为C的1/2，A的反应速率为0.05 mol·L-1·min-1，B对；根据图1可知，在30～40 min B、C的浓度都变为原来的0.75倍，所以采取的措施是增大容器的体积，也就是减小压强。
根据图2可知，30～40 min之间减小压强，正、逆反应速率都减小相同程度，平衡不移动，可知反应为气体体积不变的反应，x=1，C错；根据图1可知，40 min时改变条件，B浓度增加，C浓度减小，平衡向逆反应方向移动。若正反应为吸热反应，升高温度，则正反应速率瞬间的增大程度应该大于逆反应速率的增大程度，从图2可知，D错。
控制变量型探究实验
变量探究型实验就是在实验过程中有多种因素影响某一实验结果，因此在实验过程中人为控制条件，只使一种因素发生变化，其他因素不变进行实验探究。变量探究实验因为能够考查学生对于图表的观察、分析以及处理实验数据归纳得出合理结论的能力，因而在这几年高考试题中成为命题的热点，其考查形式有：
(1)以表格的形式给出多组实验数据，让考生找出每组数据的变化对反应的影响。
(2)给出影响化学反应的几种因素，让考生设计实验分析各因素对反应的影响。
【高考警示钟】
(1)解答这类题目的关键是认真审题，清楚对实验结果的影响因素有哪些，在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
(2)解答时注意选择数据(或设置实验)要有效，且变量统一，否则无法做出正确判断。
【典例】某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题：
(1)上述实验中发生反应的化学方程式有________________
_______________________________________________；
(2)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是___________
________________________________________________；
(3)要加快上述实验中气体产生的速率，还可以采取的措施有_____________________________________________________
_______________________________________(答两种)；
(4)为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列实验。将表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量锌粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间。
请完成此实验设计，其中：V1=_________，V6=__________，
V9=____________；
【解题指南】在影响化学反应速率的因素的探究问题上，如果影响速率的因素有条件 1、条件 2、条件3等，要比较某一条件对反应速率的影响，就要控制除该条件外的其他条件不变，这就是控制变量思想。
【解析】(1)分析实验中涉及的物质：Zn、CuSO4、H2SO4，其
中能发生的化学反应有2个：Zn＋CuSO4====ZnSO4+Cu，
Zn+H2SO4 ====ZnSO4＋H2↑。
(2)由于Zn与CuSO4反应生成的Cu附着在锌片表面，构成铜锌
原电池，从而加快了H2产生的速率。
(3)根据影响化学反应速率的外界因素，则加快反应速率的方法还有：增大反应物浓度，升高温度，使用催化剂，增大锌粒的比表面积等。注意H2SO4浓度不能过大，浓硫酸与Zn反应不生成H2。
(4)首先必须保证各次实验中硫酸浓度保持一致，最方便的做法是：使所使用硫酸的浓度与体积相等，同时使每次实验的混合溶液总体积相等。即V1=V2=V3=V4=V5=30；V(CuSO4)+V(H2O)=20，故V1=30，V6=10，V9=17.5。
答案：(1)Zn+CuSO4 ====ZnSO4+Cu，
Zn+H2SO4 ====ZnSO4+H2↑
(2)CuSO4与Zn反应产生的Cu与Zn形成Cu/Zn原电池，加快了氢气产生的速率
(3)升高反应温度、适当增加硫酸的浓度、增大锌粒的比表面积等(答两种即可)
(4)30 10 17.5
【互动探究】(1)实验室中有Na2SO4、MgSO4、Ag2SO4、K2SO4 4种溶液，可与实验中CuSO4溶液起相似作用的是？
提示：Zn只能置换出Ag2SO4溶液中的Ag，构成原电池加快反应速率。
(2)当加入少量CuSO4溶液时，生成氢气的速率会大大提高。但当加入的CuSO4溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降。请分析氢气生成速率下降的主要原因?
提示：当加入一定量的CuSO4后，生成的单质Cu会沉积在Zn的表面，减小了Zn与溶液的接触面积。
(3)反应一段时间后，实验E中的金属呈灰黑色而不是银白色，为什么？
提示：因为锌与稀硫酸反应后，锌的表面凹凸不平，有很多细小的锌的颗粒，由于颗粒很小，光被完全吸收，故呈黑色。就像氯化银受光的作用后，分解出来的银粒，由于颗粒太小而呈黑色是一个道理。
【实验探究7】——“定多变一法”突破变量
【典例】(2011·福建高考·T23·节选)在酸性溶液中，碘酸
钾(KIO3)和亚硫酸钠可发生如下反应：2IO3－＋5SO32－＋2H＋
====I2＋5SO42－＋H2O，生成的碘可以用淀粉溶液检验，根据
反应溶液出现蓝色所需的时间来衡量该反应的速率。某同学
设计实验如表所示：
探究型实验题
该实验的目的是________；表中V2=________mL。
【精讲精析】
1.解题关键点
(1)关键点1：分析表中数据，准确定位实验目的。
从题目中可以看出，三个实验中KIO3酸性溶液浓度和体积都相等，变量为温度、亚硫酸钠溶液的浓度。所以本题探究的是反应物浓度(由溶液体积变化决定)、温度对反应速率的影响。
(2)关键点2：三个实验中溶液的体积均为50 mL。
2.解题疑惑点
(1)如何确定亚硫酸钠溶液和水的体积
由实验2可以看出混合溶液的总体积应为50 mL，为保证三组实验中溶液体积相同，则V1为10 mL，V2为40 mL。
(2)分别根据哪些实验研究温度、亚硫酸钠溶液浓度对反应速率的影响
①对比实验1和实验2可知，KIO3溶液的浓度相等，Na2SO3溶液的浓度不相等(因为体积不同)，故这两个实验的目的是探究该反应的反应速率与亚硫酸钠溶液浓度的关系；
②对比实验2和实验3可知，两溶液的浓度都相等，而温度不相等，故实验目的是探究该反应的反应速率与温度的关系。
【参考答案】探究该反应的反应速率与温度、亚硫酸钠溶液浓度的关系 40
【专家点评】
变量探究型实验因为能够考查学生对于图表的观察、分析以及处理实验数据归纳得出合理结论的能力，因而在这几年高考试题中有所考查。
1.常见考查形式
(1)以表格的形式给出多组实验数据，让考生找出每组数据的变化对反应的影响。
(2)给出影响化学反应的几种因素，让考生设计实验分析各因素对反应的影响。
2.解题策略
(1)确定变量。
解答这类题目时首先要认真审题，理清影响实验探究结果的因素有哪些。
(2)定多变一。
在探究时，应该先确定其他的因素不变，只变化一种因素，看这种因素与探究的问题存在怎样的关系；这样确定一种以后，再确定另一种，通过分析每种因素与所探究问题之间的关系，得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
(3)数据有效。
解答时注意选择数据(或设置

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