温度、浓度、催化剂：影响化学反应速率与平衡的关键因素
温度、浓度、催化剂：影响化学反应速率与平衡的关键因素
化学反应速率和化学平衡是化学反应中的两个重要概念。化学反应速率是指化学反应进行的快慢程度，而化学平衡则是指在一定条件下，反应物和生成物的浓度不再随时间变化的状态。本文通过一系列实验，探讨了影响化学反应速率和化学平衡的主要因素，包括温度、浓度、催化剂等。
化学反应中的热量变化
实验原理
化学反应中的能量变化，通常表现为热量的变化。若反应中有热量放出，则为放热反应；反之，若反应中有吸收热量的，则为吸热反应。
实验操作
- 在一支试管中加少量盐酸，再加少量的NaOH溶液，用手触摸试管外壁，用温度计测量温度，记下温度变化。
- 向一支试管中放入几个锌粒，加入5mL 2mol/L盐酸，用手触摸试管外壁，有什么感觉？
- 在一个小烧杯中加入一定量的Ba(OH)2晶体，再在烧杯中加入一定量的NH4Cl晶体，并用玻璃棒迅速搅拌，使充分反应，用手触摸烧杯外壁，有什么感觉？
实验现象及结论
- 试管外壁发热，温度升高，说明反应过程中有热量放出。
[
\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} \quad (\text{放热})
] - 反应产生大量气泡，同时试管外壁发热，温度升高，说明反应过程中有热量放出。
[
\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\uparrow \quad (\text{放热})
] - 烧杯外壁发冷，温度降低，说明该反应吸收了大量的热。
[
\text{Ba(OH)}_2 + 2\text{NH}_4\text{Cl} \rightarrow \text{BaCl}_2 + 2\text{NH}_3\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \quad (\text{吸热})
]
问题
- 常见的放热反应有哪些？常见的吸热反应有哪些？
- 大家都感受到了吸热反应和放热反应，在生活生产中有哪些应用？
- 化学反应为什么会有能量的变化呢？如何从宏观和微观两个不同的角度加以解释。
温度、浓度、催化剂对化学反应速率的影响
实验原理
浓度、温度、压强和催化剂等条件对化学反应速率的影响。
实验操作
- 分别向两支装有表面积大致相同的镁条、铁片的试管中同时加入同体积0.5mol/L盐酸，观察发生的现象。
- 分别向两支装有表面积相同的铁片的试管中同时加入同体积0.5mol/L和3mol/L的盐酸，观察发生的现象。
- 分别将表面积相同铁片同时加入盛有不同温度的盐酸的试管中，观察发生的现象。
- 向两支盛有等体积等浓度的双氧水的一支试管中加入二氧化锰粉末，观察发生的现象。
- 分别向两支装有等质量的块状碳酸钙、碳酸钙粉末的试管中同时滴加同体积同浓度的盐酸，观察发生的现象。
实验现象及结论
镁条上产生气泡且很快，镁条消失快。铁片上产生气泡但较慢，铁片未消失。
[
\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2\uparrow
]
[
\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow
]
Mg比Fe活泼，与酸的反应剧烈且快。说明在其他条件相同时，金属的活泼性越强，与酸的反应越快。化学反应速率由反应物本身的性质决定(内因)。加0.5mol/L的盐酸的试管内产生的气泡慢，加3mol/L的盐酸的试管内产生的气泡快。说明在其他条件相同时，反应物的浓度越大，化学反应越快。
温度高的产生的气泡快，温度低的产生的气泡慢。说明在其他条件相同时，反应物的温度越高，化学反应越快。
加二氧化锰的双氧水的试管内产生的气泡快，不加二氧化锰的双氧水的试管内产生的气泡慢。
在双氧水分解反应中，二氧化锰、氯化铁等均可作催化剂，
[
2\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{二氧化锰}} 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2\uparrow
]
说明在其他条件相同时，使用催化剂，化学反应速率加快。盛碳酸钙粉末的试管内产生气泡快，盛块状碳酸钙的试管内产生气泡慢。
[
\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow
]
说明在其他条件相同时，固体反应物的表面积越大，化学反应越快。
通常情况下，增大反应物浓度、升高温度、增大反应物的接触面积以及使用催化剂可以提高化学反应速率。
问题
- 一定量的盐酸跟过量的铁粉反应，为了减缓反应速率且不影响生成H2的总量，可向盐酸中加入适量的( )
- A．NaOH(s)
- B．H2O
- C．Na2CO3(s)
- D．CH3COONa(s)
- E．NaCl溶液
一定量的盐酸跟过量的铁粉反应，为了加快反应速率且不影响生成H2的总量，可采取的措施是( ) - A．适当升温
- B．加入少量的CuSO4(s)
- C．加入少量的浓H2SO4
- D．加入一定量镁粉
- E．NaNO3(s)
- 请利用所学知识回答问题：
- ① 消防队员救火时，开门都很小心，因为门一打开就有可能发生爆炸。请解释其中的原因。
- ② 从化学反应的角度分析，使用电冰箱的主要目的是什么？
- ③ 为什么高压锅做饭快？
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- ⑤ 为什么烧柴煮饭时要将木柴劈小？
为什么氯水、浓HNO3、AgNO3溶液、KMnO4溶液、AgBr(s)等要存放在棕色瓶中，并放在冷暗处？为什么强光照射H2与Cl2混合气体、甲烷与Cl2混合气体易发生爆炸等？
取一定质量的用砂纸打磨好的镁带与足量的浓盐酸混合，为什么反应速度会先增大，后减小，最后停止？
浓度、温度对化学平衡的影响
实验原理
浓度、温度、压强等条件对化学平衡的影响。
实验操作
- 向盛有5mL 0.01mol/L FeCl3溶液的试管中加入5mL 0.03mol/L KSCN溶液，溶液呈红色。将此溶液均分置三支试管中，向第一支试管中加入少量1mol/L FeCl3溶液，充分振荡，观察溶液颜色变化；向第二支试管中滴加少量1mol/L KSCN溶液，观察溶液颜色变化；向第三支试管中滴加少量NaOH溶液，观察观察现象。
- 把NO2和N2O4的混合气体盛在两个联通的烧瓶里，用夹子夹住橡皮管。把一个烧瓶放在热水里，把另一个放在冰水（或冷水）里，观察现象。
实验现象及结论
- 第一支试管中溶液颜色加深；第二支试管中溶液颜色加深；第三支试管中有红褐色沉淀，且溶液颜色变浅。由于在这个反应体系中存在下列平衡：
[
\text{Fe}^{3+} + 3\text{SCN}^- \rightleftharpoons \text{Fe(SCN)}_3
]
滴加浓的FeCl3溶液、滴加浓的KSCN溶液均是增加反应物浓度，使平衡右移，颜色加深。滴加NaOH溶液与Fe3+反应生成红褐色的Fe(OH)3沉淀，减少反应物浓度，使平衡左移，颜色变浅。
说明在其他条件不变时，反应物浓度减小或生成物浓度增大，平衡向消耗生成物的方向移动，即平衡左移；反应物浓度增大或生成物浓度减小，平衡向消耗反应物的方向移动，即平衡右移。
- 在热水的烧杯中气体颜色加深；在冷水的烧杯中气体颜色变浅。由于烧瓶中的气体存在下列平衡：
[
2\text{NO}_2(g) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(g)， \quad \Delta H = -56.9\text{kJ/mol}
]
该可逆反应正反应是放热的，逆反应是吸热的。NO2(g)为红棕色，N2O4(g)为无色，所以混合气体的颜色深浅由NO2的浓度决定。升温气体颜色加深，表明NO2的浓度增大，即平衡向吸热方向移动；降温气体颜色变浅，表明NO2的浓度减小，即平衡向放热方向移动。
说明在其他条件不变时，温度升高，平衡向吸热方向移动；降低温度，平衡向放热方向移动。
问题
- 在增大反应物浓度或减小反应物浓度的过程中正、逆反应速率如何变化？
- 在升温或降温过程中正、逆反应速率如何变化？这些反应速率的变化又是如何影响化学平衡移动的？
- 化学反应速率与化学平衡间存在着什么样的关系？
- 某一可逆反应，一定条件下达到了平衡，若化学反应速率改变，平衡一定发生移动吗？若平衡发生移动，化学反应速率一定改变吗？
- 在用氯酸钾分解制氧气时加入二氧化锰后能否提高氧气的量？
- 已知在K2Cr2O7的溶液中存在如下平衡
[
\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons 2\text{CrO}_4^{2-} + 2\text{H}^+
]
(橙色)..................... (黄色)
分析加入NaOH溶液(6mol/L)或稀H2SO4溶液有何现象？ - 在恒容的容器中，2NO2(g)＝N2O4(g)平衡后，向容器中再通入反应物NO2，或向容器中再通入生成物N2O4，两种情况下，平衡如何移动？两种情况下，重新达到平衡后，NO2的百分含量如何变化？
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