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模型2:速率图像分析

化学反应速率及其影响因素 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 通过化学平衡速率-时间(v-t)图像,分析反应进程、判断平衡状态及外界条件改变对平衡移动的影响。

从哪来 本节为高二化学第1讲起点,无前置知识点记录,直接基于高中化学必修阶段已掌握的“化学反应速率”与“化学平衡”基本概念构建。

为什么 化学反应速率是动态变化的,而平衡状态是正逆反应速率相等($v_{正}=v_{逆}$)的动态平衡。v-t图像将抽象的速率变化转化为直观的几何图形: 1. 斜率与趋势:反应初期浓度最大,速率最快,随后浓度降低,速率减小,直至不变。 2. 突变原理:外界条件(如浓度、压强、温度、催化剂)改变瞬间,相关物质的速率会发生“跳跃式”变化,而另一方向速率可能连续变化或同步变化。 3. 平衡移动:若$v_{正} \neq v_{逆}$,平衡向速率大的一方移动,直到两者再次相等。图像直观展示了这一“突变-渐变-新平衡”的过程。

“赛车竞速”类比法** * **适合学生
形象思维强、对抽象函数关系感到困难的学生。 * 讲解逻辑: 1. 把正反应和逆反应比作两辆赛车在赛道上行驶。 2. 平衡状态:两车速度完全一致($v_{正}=v_{逆}$),虽然都在跑,但相对位置不变(宏观浓度不变)。 3. 改变条件:比如突然给正反应赛车加油(增加反应物浓度),正反应赛车瞬间提速(图像向上跳),逆反应赛车速度暂时没变(图像连续)。此时正车快于逆车,平衡正向移动。 4. 新平衡:随着正反应消耗反应物、生成产物,正车速度逐渐慢下来,逆车速度逐渐快起来,直到两车再次同速。
“数学函数与极限”分析法** * **适合学生
逻辑思维强、数学基础好、喜欢严谨推导的学生。 * 讲解逻辑: 1. 将速率 $v$ 视为时间 $t$ 的函数 $v(t)$。 2. 连续性:在没有外界干扰时,$v(t)$ 是连续函数,曲线平滑。 3. 不连续性(间断点):改变条件瞬间,$t_0$ 时刻,$v_{正}$ 或 $v_{逆}$ 发生阶跃变化。 4. 渐近线:随着 $t \to \infty$,$v_{正}(t)$ 和 $v_{逆}(t)$ 趋向于同一个常数 $v_{平衡}$。 5. 判据:比较 $t_0$ 时刻后的 $v_{正}$ 和 $v_{逆}$ 大小,确定极限方向。
“因果链条”拆解法** * **适合学生
容易混淆概念、需要结构化记忆的学生。 * 讲解逻辑: 1. 第一步(找突变):看图像中哪条线发生了垂直跳跃? * 若 $v_{正}$ 跳,$v_{逆}$ 不跳 $\rightarrow$ 改变的是反应物浓度或加压(对气体)。 * 若 $v_{逆}$ 跳,$v_{正}$ 不跳 $\rightarrow$ 改变的是生成物浓度。 * 若两者同时跳且幅度相同 $\rightarrow$ 催化剂。 * 若两者同时跳但幅度不同 $\rightarrow$ 温度或压强。 2. 第二步(定方向):看跳跃后谁在上面? * $v_{正} > v_{逆}$ $\rightarrow$ 正向移动。 * $v_{逆} > v_{正}$ $\rightarrow$ 逆向移动。 3. 第三步(看趋势):看曲线是上升还是下降? * 向上跳后下降 $\rightarrow$ 速率在减小(浓度消耗)。 * 向下跳后上升 $\rightarrow$ 速率在增加(浓度生成)。
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练一道
基础题
在恒温恒容密闭容器中,发生反应 $2A(g) \rightleftharpoons B(g) + C(g)$。某时刻图像显示:$t_1$ 时刻,$v_{正}$ 突然增大,$v_{逆}$ 不变,随后 $v_{正}$ 逐渐减小,$v_{逆}$ 逐渐增大,最终达到新的平衡。问:$t_1$ 时刻改变了什么条件?平衡如何移动?
变式
对于反应 $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ ($\Delta H < 0$)。图像显示:$t_2$ 时刻,$v_{正}$ 和 $v_{逆}$ 同时突然增大,且 $v_{逆}$ 增大的幅度大于 $v_{正}$,随后 $v_{逆}$ 减小,$v_{正}$ 增大,最终达到新平衡。问:$t_2$ 时刻改变了什么条件?
试试手自己判
检测题
对于反应 $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$ ($\Delta H < 0$)。若在某时刻 $t_3$,图像显示 $v_{正}$ 和 $v_{逆}$ 同时突然减小,且 $v_{正}$ 减小的幅度大于 $v_{逆}$,随后 $v_{正}$ 增大,$v_{逆}$ 减小,最终达到新平衡。问:$t_3$ 时刻改变了什么条件?
看答案和判分标准
答案:减小了压强**(或扩大了容器体积)。
判对标准:
1. 学生能指出 $v_{正}$ 和 $v_{逆}$ 同时减小,排除升温(升温速率增大)和加催化剂(速率增大)。
2. 学生能指出 $v_{正}$ 减小幅度大于 $v_{逆}$,说明正反应方向气体分子数多(2+1=3 > 2),减压对分子数多的方向影响更大,故 $v_{正}$ 降幅大。
3. 学生能得出平衡向逆反应方向移动的结论(因为突变后 $v_{逆} > v_{正}$)。
4. 若学生回答“降低温度”,错误,因为降温速率应减小,但放热反应降温对正向(放热)影响更大,$v_{正}$ 应大于 $v_{逆}$,与题意不符。
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