中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)-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(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究濃度、壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律。2.掌握在實(shí)驗(yàn)中控制不同變量因素的方法，并能結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕蚪Y(jié)論。二．實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)同一化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，濃度、溫度和催化劑等條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響也不一樣?？赡娣磻?yīng)在一定條件下進(jìn)行到一定程度時(shí)，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等。這時(shí)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(gè)因素的。但是，當(dāng)一個(gè)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(guò)改變外界條件來(lái)改變這個(gè)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(duì)于特定反應(yīng),只改變一個(gè)外界條件(溫度、濃度、催化劑或接觸面),其它條件不變,通過(guò)測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率變化判斷該條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律。三．實(shí)驗(yàn)用品：1.試劑30%的過(guò)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(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象記錄1.濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響表1濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)分析1.分別往三個(gè)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(shí)驗(yàn)的目的是探究溫度對(duì)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(wú)關(guān)變量，在反應(yīng)過(guò)程中控制無(wú)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(kāi)始時(shí)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(shí)把氣球中的MnO2抖落，觀察實(shí)驗(yàn)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(wú)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，相同時(shí)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(wú)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(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗實(shí)驗(yàn)儀器。2.溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響表2溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)分析1.配制三個(gè)濃度梯度的H2O2溶液：將實(shí)驗(yàn)室中已有的30%過(guò)氧化氫溶液用燒杯加水（1：2）稀釋至10%；以及實(shí)驗(yàn)室已有濃度為30%和3%的過(guò)氧化氫溶液準(zhǔn)備階段：實(shí)驗(yàn)室已有濃度為30%的過(guò)氧化氫溶液和二氧化錳固體。該實(shí)驗(yàn)的目的是探究濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，我們以過(guò)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(wú)關(guān)變量，在反應(yīng)過(guò)程中控制無(wú)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(hào)；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(kāi)始時(shí)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(jì)時(shí)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。0Min：剛加入MnO2固體時(shí)，溶液中開(kāi)始有大量的氣泡產(chǎn)出，但無(wú)法明顯地分辨出哪個(gè)濃度的過(guò)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(guò)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(gè)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(guò)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(guò)氧化氫溶液的氣球繼續(xù)膨脹，剩余兩個(gè)氣球并沒(méi)有明顯繼續(xù)膨大，氣球的膨脹的程度：30%＞10%＞3%；=1\*GB3①?gòu)膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，在室溫下，相同時(shí)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(kāi)始減少了，所以反應(yīng)速率都降低。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗實(shí)驗(yàn)儀器。3.催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響表3催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)分析1.在室溫下，分別往4支小試管中加入10mL15%的過(guò)氧化氫溶液。（15%的過(guò)氧化氫溶液由30%的過(guò)氧化氫溶液加水以1:1稀釋得到。）準(zhǔn)備階段：1-4號(hào)試管（已加過(guò)氧化氫溶液）該實(shí)驗(yàn)的目的是探究催化劑對(duì)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(wú)關(guān)變量，并加入了一個(gè)不加催化劑的試管作為對(duì)照，在反應(yīng)過(guò)程中控制無(wú)關(guān)變量的一致性。2.1號(hào)試管不添加催化劑，作為對(duì)照。往2號(hào)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(shí)，分別往3號(hào)試管加入0.1mol/LFeCl3溶液1mL，4號(hào)試管中加入0.1mol/LCuSO4溶液1mL。啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)（10min）。反應(yīng)開(kāi)始：1號(hào)試管（不加催化劑）：無(wú)明顯的反應(yīng)現(xiàn)象，沒(méi)有看到氣泡產(chǎn)生。2號(hào)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(jué)到稍微鼓起。3號(hào)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(hào)試管（加CuSO4溶液）：有一點(diǎn)點(diǎn)氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)速度慢。10min后：1號(hào)和4號(hào)試管氣球都沒(méi)有明顯膨脹起來(lái)，2號(hào)和3號(hào)試管氣球有稍微膨脹，2號(hào)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(kāi)始時(shí)刻的一致性，且操作方便。=2\*GB3②從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，在室溫下，相同時(shí)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(hào)快。3.把1-4號(hào)試管移動(dòng)到盛有約80℃熱水的燒杯中，再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（5min）。剛開(kāi)始：1-4號(hào)試管中的反應(yīng)速度都加快了。過(guò)了1min之后：3號(hào)試管（加FeCl3溶液）反應(yīng)速度最快，氣球明顯脹大。再過(guò)了1min之后：2號(hào)試管（加二氧化錳）氣球也膨脹起來(lái)。反應(yīng)經(jīng)過(guò)5min后（反應(yīng)結(jié)束）：可以看出，3號(hào)試管（加FeCl3溶液）的氣球最大，2號(hào)試管（加二氧化錳）次之，1號(hào)和4號(hào)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(lái)，4號(hào)試管（加CuSO4溶液）反應(yīng)速度1號(hào)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們把1-4號(hào)試管放到熱水浴中。從實(shí)驗(yàn)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(hào)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(hào)快。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗實(shí)驗(yàn)儀器。五．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1.當(dāng)其他條件不變時(shí)，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(gè)方面：一方面是通過(guò)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(gè)是因?yàn)楹休^高能力的分子間的碰撞頻率也隨之提高。這兩個(gè)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(shí)，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?yàn)?，?duì)某一反應(yīng)來(lái)說(shuō)，在其他條件不變時(shí)，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(shí)，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?；瘜W(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?yàn)榛瘜W(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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)不苛刻的環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4.在過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)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(wú)機(jī)催化劑有最適溫度，只有在適宜的溫度在，無(wú)機(jī)催化劑的催化效率才會(huì)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(duì)于FeCl3溶液來(lái)說(shuō)，較高的溫度反而使其催化性能提高。六．反思與評(píng)價(jià)“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(shí)體系中起著承上啟下的作用。本節(jié)內(nèi)容主要是對(duì)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(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)單，主要是以控制變量法改變不同的實(shí)驗(yàn)條件（溫度、濃度、催化劑）來(lái)進(jìn)行探究。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)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(lái)判斷不同條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。而通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們可以確定，溫度、濃度以及催化劑確實(shí)會(huì)對(duì)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(huì)使化學(xué)反應(yīng)加快。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們分成三個(gè)小組分別對(duì)不同變量進(jìn)行探究，過(guò)程中能嚴(yán)肅認(rèn)真，有條不紊地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且一邊觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一邊思考討論實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，能夠快捷順利地完成實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)沒(méi)有要求精確測(cè)量，只需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作判斷，所以可以順利地得出不同因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響情況。教師不能為做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)是為了研究事物的內(nèi)在聯(lián)系，研究解決問(wèn)題的方法。在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)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(shí)驗(yàn)失敗的元素。例如反應(yīng)物用量的控制，在正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，我們先拿5mL3%的過(guò)氧化氫溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，所以最后我們選擇了以30%的過(guò)氧化氫溶液進(jìn)行實(shí)