中學化學實驗-影響化學反應速率的因素的探究

PAGEPAGE1影響化學反應速率的因素的探究一．實驗目的：1.通過實驗探究濃度、壓強對化學反應速率的影響，認識其一般規(guī)律。2.掌握在實驗中控制不同變量因素的方法，并能結合實驗原理得出實驗目的或結論。二．實驗原理：化學反應是破壞舊化學鍵，形成新化學鍵的過程。不同化學鍵，鍵能不同，鍵的牢固程度不同，所以不同物質之間的化學反應發(fā)生的難易不同，反應速率也不同；而對同一化學反應來說，濃度、溫度和催化劑等條件對化學反應速率的影響也不一樣?？赡娣磻谝欢l件下進行到一定程度時，正反應速率和逆反應速率相等。這時在反應物和生成物的混合物中，反應物不再減少，生成物不再增加，反應達到化學平衡狀態(tài)。影響化學反應速率的主要因素是反應物的性質，是內在因素，我們人類是不能改變這個因素的。但是，當一個反應確定之后，我們可以尊重其客觀規(guī)律的基礎上通過改變外界條件來改變這個反應的速率，使它按著我們人類需要的速率進行。影響化學反應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)指對于特定反應,只改變一個外界條件(溫度、濃度、催化劑或接觸面),其它條件不變,通過測定化學反應速率變化判斷該條件對化學反應速率的影響規(guī)律。三．實驗用品：1.試劑30%的過氧化氫溶液、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．實驗步驟和現象記錄1.濃度對化學反應速率的影響表1濃度對化學反應速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.分別往三個小試管中加入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該實驗的目的是探究溫度對反應速率的影響，我們以溫度為自變量，氣球膨脹程度為因變量，催發(fā)劑、反應物用量及濃度為無關變量，在反應過程中控制無關變量的一致性。=2\*GB3②把催化劑先放置在氣球中，可保證反應開始時刻的一致性，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，同時把氣球中的MnO2抖落，觀察實驗現象。3min后，熱水浴中的試管氣球明顯鼓起，且反應產生大量氣泡，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法立起，且反應產生較多氣泡；冰水浴中的試管氣球略有膨脹，且反應產生較少氣泡。從實驗現象可以看出，相同時間內，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，把試管從水浴中取出，觀察現象。從熱水浴中取出的試管反應基本結束，試管中無氣泡產生，氣球不再繼續(xù)膨脹；從室溫下水浴中取出的試管反應仍在進行，產生少量氣泡，氣球繼續(xù)膨脹，膨脹程度較大；從冰水浴中取出的試管，反應仍在進行，產生較多氣泡，氣球繼續(xù)膨脹，膨脹程度較小。由于反應物的總量是一樣的，所以最終生成的氧氣量應該是相等的。熱水浴中的反應速率最快，H2O2基本被分解，反應基本結束；常溫水浴中與冰水浴中的反應較慢，因此反應仍然繼續(xù)，冰水浴的反應速率最慢，因此試管中剩余H2O2濃度最高，因此產生氣泡最多。4．實驗結束，清洗實驗儀器。2.溫度對化學反應速率的影響表2溫度對化學反應速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.配制三個濃度梯度的H2O2溶液：將實驗室中已有的30%過氧化氫溶液用燒杯加水（1：2）稀釋至10%；以及實驗室已有濃度為30%和3%的過氧化氫溶液準備階段：實驗室已有濃度為30%的過氧化氫溶液和二氧化錳固體。該實驗的目的是探究濃度對反應速率的影響，我們以過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、反應物用量及溫度為無關變量，在反應過程中控制無關變量的一致性。2.取三支潔凈的試管，各濃度溶液取10ml加入試管中，給每根試管標號；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，可保證反應開始時刻的一致性，且操作方便。3．將氣球中的MnO2固體傾入試管中，并迅速按下秒表計時，觀察實驗現象。0Min：剛加入MnO2固體時，溶液中開始有大量的氣泡產出，但無法明顯地分辨出哪個濃度的過氧化氫溶液反應速率較快。5min：反應進行了5分鐘后，3支試管中的過氧化氫溶液的反應速率均有所減緩，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有一定的氣體。10min：底物濃度為3%的過氧化氫溶液反應基本趨于停止；其他兩支試管也只有少量氣泡生成。底物濃度為30%的過氧化氫溶液的氣球繼續(xù)膨脹，剩余兩個氣球并沒有明顯繼續(xù)膨大，氣球的膨脹的程度：30%＞10%＞3%；=1\*GB3①從實驗現象可以看出，在室溫下，相同時間內，濃度最大的試管反應速率最快，氣球膨脹程度較大，生成氧氣較多；濃度為10%的試管反應速率次之，也有較多氧氣產生；濃度為3%的試管的反應速度較慢，產生的氧氣較少。=2\*GB3②10min之后，由于反應的進行消耗了二氧化氫溶液，試管中反應物濃度比一開始減少了，所以反應速率都降低。4．實驗結束，清洗實驗儀器。3.催化劑對化學反應速率的影響表3催化劑對化學反應速率的影響實驗步驟實驗記錄實驗分析1.在室溫下，分別往4支小試管中加入10mL15%的過氧化氫溶液。（15%的過氧化氫溶液由30%的過氧化氫溶液加水以1:1稀釋得到。）準備階段：1-4號試管（已加過氧化氫溶液）該實驗的目的是探究催化劑對反應速率的影響，我們以催化劑為自變量，氣球膨脹程度為因變量，催發(fā)劑、反應物用量及濃度為無關變量，并加入了一個不加催化劑的試管作為對照，在反應過程中控制無關變量的一致性。2.1號試管不添加催化劑，作為對照。往2號試管口套上裝有一小塊MnO2固體的藍色氣球，把氣球中MnO2固體倒進試管中同時，分別往3號試管加入0.1mol/LFeCl3溶液1mL，4號試管中加入0.1mol/LCuSO4溶液1mL。啟動秒表計時，并記錄實驗現（10min）。反應開始：1號試管（不加催化劑）：無明顯的反應現象，沒有看到氣泡產生。2號試管（加二氧化錳）：反應劇烈，有大量氣泡產生，氣球有感覺到稍微鼓起。3號試管（加FeCl3溶液）：反應速度快，有較多氣泡產生，氣球也稍微鼓起。4號試管（加CuSO4溶液）：有一點點氣泡產生，反應速度慢。10min后：1號和4號試管氣球都沒有明顯膨脹起來，2號和3號試管氣球有稍微膨脹，2號試管氣多一些。=1\*GB3①把催化劑（二氧化錳）先放置在氣球中，可保證反應開始時刻的一致性，且操作方便。=2\*GB3②從實驗現象可以看出，在室溫下，相同時間內，以二氧化錳作為催化劑的試管反應速率最快，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速率次之，也有較多氧氣產生；以0.1mol/LCuSO4溶液為催化劑的試管的反應速度較慢，但比不加催化劑的試管1號快。3.把1-4號試管移動到盛有約80℃熱水的燒杯中，再觀察實驗現象（5min）。剛開始：1-4號試管中的反應速度都加快了。過了1min之后：3號試管（加FeCl3溶液）反應速度最快，氣球明顯脹大。再過了1min之后：2號試管（加二氧化錳）氣球也膨脹起來。反應經過5min后（反應結束）：可以看出，3號試管（加FeCl3溶液）的氣球最大，2號試管（加二氧化錳）次之，1號和4號雖然反應速度都加快了，但產生的氣體不足以把氣球撐起來，4號試管（加CuSO4溶液）反應速度1號試管（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驗現象，我們把1-4號試管放到熱水浴中。從實驗現象可以看出，溫度升高可以加快反應速率，4支試管中的氣泡產生量都明顯增加，連1號試管（不加催化劑）都有微小氣泡生成。=2\*GB3②在熱水浴中，反應速率最快的是以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速率次之，以0.1mol/LCuSO4溶液為催化劑的試管的反應速度較慢，但比不加催化劑的試管1號快。4．實驗結束，清洗實驗儀器。五．實驗結果分析1.當其他條件不變時，升高溫度，化學反應速率加快；降低溫度，化學反應速率減慢。加熱的主要作用可以歸納為兩個方面：一方面是通過提高溫度使分子獲得更高的能量，活化分子百分數提高；另一個是因為含有較高能力的分子間的碰撞頻率也隨之提高。這兩個方面都使分子間有效碰撞的幾率提高，反應速率因此也增大。2.當其他條件不變時，增加反應物的濃度，化學反應速率加快；降低反應物的濃度，化學反應速率減慢。這是因為，對某一反應來說，在其他條件不變時，反應物中活化分子的百分數是一定的，而單位體積內活化分子的數目與單位體積內反應物的總數成正比，即與反應的濃度成正比。反應物濃度增大，活化分子數也增多，有效碰撞的幾率增加，反應速率也就增大了。3.當其他條件不變時，加入催化劑可以加快化學反應速率，不同催化劑加快的速率不同?；瘜W反應能否進行要根據自由能的變化，但僅僅根據自由能的變化還不能判斷反應能否完成，因為化學反應的完成還取決于反應的能壘，即如果反應能壘很高，則必須為其提供一定的能量，越過能壘，完成反應。該能壘被稱為活化能。催化劑加快反應速率的原因與溫度對反應速率的影響是根本不同的。催化劑可以改變反應的路線，降低反應的活化能，使反應物分子中活化分子的百分數增大，反應速率加快。在均相催化中，催化劑跟反應物分子或離子通常結合形成不穩(wěn)定的中間物即活化絡合物。這一過程的活化能通常比較低，因此反應速率快，然后中間物又跟另一反應物迅速作用(活化能也較低)生成最終產物，并再生出催化劑。該過程可表示為：A＋B=AB(慢)A＋C=AC(快)AC＋B=AB＋C(快)式中A、B為反應物，AB為產物，C為催化劑。由于反應的途徑發(fā)生了改變，將一步進行的反應分為兩步進行，兩步反應的活化能之和也遠比一步反應的低。該理論被稱為“中間產物理論”。而催化劑的作用就是降低該活化能，使之在相對不苛刻的環(huán)境下發(fā)生化學反應。4.在過氧化氫分解實驗中，常溫下，二氧化錳的催化效果最好；熱水浴中，FeCl3溶液的催化效果最好。無機催化劑有最適溫度，只有在適宜的溫度在，無機催化劑的催化效率才會最高。較高的溫度使二氧化錳脫離其適宜的催化溫度范圍，而對于FeCl3溶液來說，較高的溫度反而使其催化性能提高。六．反思與評價“影響化學反應速率的因素”是人教版化學選修④《化學反應原理》中第二章化學反應速率和化學平衡第二節(jié)的內容。本節(jié)內容既是前一節(jié)“化學反應速率”的延續(xù)，也為下一節(jié)“化學平衡”內容作鋪墊，在知識體系中起著承上啟下的作用。本節(jié)內容主要是對影響化學反應速率的內部因素與外部因素進行探討，其中外部因素主要從濃度、溫度、壓強、催化劑等角度進行研究。除此之外，本節(jié)內容也與該教材前言中介紹的碰撞理論遙相呼應，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反應速率的。本次實驗操作比較簡單，主要是以控制變量法改變不同的實驗條件（溫度、濃度、催化劑）來進行探究。通過觀察實驗過程中，試管內產生氣泡的快慢、多少，以及氣球膨脹的情況，來判斷不同條件對化學反應速率的影響。而通過進行實驗，分析實驗現象，我們可以確定，溫度、濃度以及催化劑確實會對化學反應速率產生影響，升高溫度、增大濃度和加催化劑都會使化學反應加快。實驗過程中，我們分成三個小組分別對不同變量進行探究，過程中能嚴肅認真，有條不紊地進行實驗，并且一邊觀察實驗現象一邊思考討論實驗的結果，能夠快捷順利地完成實驗。因為實驗沒有要求精確測量，只需要根據實驗現象作判斷，所以可以順利地得出不同因素對化學反應速率的影響情況。教師不能為做實驗而做實驗，做實驗是為了研究事物的內在聯系，研究解決問題的方法。在實驗過程中，我們一邊觀察現象，一邊思考總結。反應物量的多少、如何控制催化劑同時加入，如何直觀地看出反應速率的快慢等，都有可能成為實驗失敗的元素。例如反應物用量的控制，在正式進行實驗前，我們先拿5mL3%的過氧化氫溶液進行實驗，發(fā)現即使已加入催化劑二氧化錳，反應速率還是比較慢。為了使實驗現象更加明顯，所以最后我們選擇了以30%的過氧化氫溶液進行實