2024-2025学年高中化学第二章化学反应与能量第三节2化学反应的限度及反应条件的控制学案新人教版必修2

PAGE12-第2课时化学反应的限度及反应条件的限制一、可逆反应1．可逆过程：当温度确定时，饱和溶液中的固体溶质表面的溶解过程和溶液中的溶质分子回到固体溶质表面的结晶过程始终在进行，而且两种过程的速率相等，于是饱和溶液的浓度和固体溶质的质量都保持不变。我们把这类过程称作可逆过程。表述这类过程时，约定采纳“”来代替反应中原来用的“=”号，把从左向右的过程称作正(向)反应；从右向左的过程称作逆(向)反应。2．可逆反应(1)定义：在同一条件下，正向反应和逆向反应能同时进行的化学反应。(2)表示方法：书写可逆反应的化学方程式时不用“=”而用“”。(3)特点：①正向反应和逆向反应同时进行；②正向反应和逆向反应的条件相同；③在确定条件下，反应物不能全部转化为生成物。二、化学平衡状态——化学平衡(1)化学平衡的建立①反应起先时，v正最大，v逆为0。②反应过程中：反应物浓度渐渐削减→v正渐渐减小。生成物浓度渐渐增大→v逆从0起先渐渐增大。③反应达到平衡时：v正＝v逆，反应物和生成物各组分浓度不再变更。(2)化学平衡建立过程中化学反应速率的变更图象。(3)概念：在确定条件下，当一个可逆反应进行到正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再变更时的状态。(4)化学平衡状态的特征反应物和生成物处于同一反应体系，反应条件保持不变。达到平衡状态时，体系中全部物质的质量或浓度保持不变，正逆反应速率相等，且不为零，因此，体系的反应并没有停止。探究点一对化学平衡状态的理解1．只有可逆反应才有可能存在化学平衡状态，不行逆反应无论怎样也不行能存在化学平衡状态，即化学平衡问题的化学反应对象是可逆反应，在解决有关化学平衡的问题时，首先看清化学反应是否为可逆反应。2．一个确定的化学平衡状态，化学反应速率的特征是v(正)＝v(逆)>0；反应混合物的特征，是随意一种物质在混合物中所占的质量分数或物质的量分数保持不变。这两个特征是相互关联、相互影响的。有了这两个特征，可逆反应也就进行到了最大限度。3．化学平衡状态是可逆反应进行到最大限度的结果，可逆反应有达到化学平衡状态的可能，但可逆反应在未进行到最大限度之前还不是化学平衡状态。一经建立起化学平衡状态，就不会因时间的变更而变更。4．化学反应的可逆性为化学平衡状态的建立奠定了内因性的基础，化学平衡状态的建立还必需有确定的温度、物质的浓度和气体的压强等外因性条件，否则化学平衡状态也建立不起来，以哲学的观点谛视化学平衡状态的建立，内因(可逆反应)是基础，外因(温度、浓度、压强等)是条件，外因通过内因而起作用。5．由于不同的可逆反应具有不同的性质，化学平衡状态的建立还必需具有确定的外部条件(温度、浓度、压强等)，所以，同一个可逆反应在不同条件下建立起的化学平衡状态可能不同；不同的可逆反应建立起的化学平衡状态也不确定不同。6．对于一个既定的可逆反应，假如其他条件确定，不论实行何种途径，即反应是由反应物起先或由生成物起先，是一次投料或是分步投料，最终都能建立起化学平衡状态。1.已知2SO2＋O2eq\o(,\s\up17(催化剂),\s\do15(△))2SO3，则在催化剂、加热条件下，将2molSO2和1molO2充入密闭容器中进行反应最终能否生成2molSO3?提示：不能。可逆反应中，正反应和逆反应同时进行，均不能进行究竟。即在可逆反应体系中，反应物和生成物共存，所以2molSO2和1molO2不行能完全转化为SO3，最终生成的SO3的物质的量确定小于2mol。2．化学反应进行确定时间后，各组分的浓度相等或正好等于化学计量数之比时，化学反应是否达到平衡？提示：不确定。化学反应达到平衡时，各组分的浓度保持不变，不确定浓度相等，也不确定等于化学计量数之比。[例1]对于化学反应限度的叙述，错误的是()A．任何可逆反应都有确定的限度B．化学反应达到限度时，正逆反应速率相等C．化学反应的限度与时间的长短无关D．化学反应的限度是不行变更的[思路分析](1)任何可逆反应在给定条件下的进程都有确定的限度。(2)确定条件下，可逆反应达到化学平衡时，该反应即达到最大限度，此时反应物的转化率达最大值。[解析]任何可逆反应都有确定的限度，当反应达到限度时，即反应达到化学平衡，此时v正＝v逆。对同一可逆反应，达到化学平衡时，当外界条件不变时，反应的限度不变，与时间长短无关，但当外界条件发生变更，引起v正与v逆不相等时，化学平衡被破坏，化学反应的限度也会发生变更。[答案]D在一密闭容器中进行反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2mol·L－1、0.1mol·L－1、0.2mol·L－1，当反应达到平衡时，可能存在的数据是(B)A．SO2为0.4mol·L－1，O2为0.2mol·L－1B．SO2为0.25mol·L－1C．SO2、SO3均为0.15mol·L－1D．SO3为0.4mol·L－1解析：首先采纳极限法分析。若反应向右进行究竟，则有c(SO2)＝0，c(O2)＝0，c(SO3)＝0.4mol·L－1；若反应向左进行究竟，则有：c(SO2)＝0.4mol·L－1，c(O2)＝0.2mol·L－1，c(SO3)＝0。化学反应的限度确定了可逆反应中的各种成分是不行能完全转化的，所以平衡时各物质的浓度范围为0<c(SO2)<0.4mol·L－1，0<c(O2)<0.2mol·L－1,0<c(SO3)<0.4mol·L－1，A、D错误；若SO2为0.15mol·L－1，则转化的SO2的浓度为(0.2－0.15)mol·L－1＝0.05mol·L－1，此时SO3的浓度为(0.2＋0.05)mol·L－1＝0.25mol·L－1，C错误。探究点二可逆反应达到化学平衡状态的标记1．等——正反应和逆反应的速率相等正反应速率和逆反应速率相等是概念性的，也可以理解为某一组分的生成速率和消耗速率相等，这是化学平衡的本质标记。以可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)为例，下列状况也能说明正反应和逆反应速率相等。(1)用两种物质表示的正反应和逆反应速率之比等于化学计量数之比，如v(正)(N2)v(逆)(H2)＝13，v(正)(N2)v(逆)(NH3)＝12。(2)相同时间内，同一种物质生成的物质的量和消耗的物质的量相等，如生成amolNH3的同时又消耗amolNH3。(3)一种物质变更表示发生正反应，另一种物质变更表示发生逆反应，且在相同时间内，两种物质的物质的量变更之比等于化学计量数之比，如生成amolN2的同时又消耗3amolH2，生成2amolNH3的同时又生成amolN2．定——反应混合物中各组分的浓度保持不变由于正反应速率和逆反应速率相等，即每一种物质的生成速率和消耗速率相等，故反应混合物中各组分的浓度均保持不变。反应混合物中各组分的浓度保持不变是化学平衡的特征标记。(1)对于一般的可逆反应来说，还可理解为：a.各组分的物质的量保持不变；b.反应物的转化率保持不变；c.生成物的产率保持不变等。(2)对于反应前后气态物质的总体积发生变更且均为气体的可逆反应来说，还可引申为：a.混合气体的总物质的量保持不变；b.恒温恒压时混合气体的密度保持不变；c.混合气体的平均相对分子质量保持不变；d.恒温恒容时混合气体的压强保持不变；e.恒温恒压时混合气体的体积保持不变等。(3)对于体系中有物质显示颜色的可逆反应，还包含体系的颜色不变。(4)对于吸热反应或放热反应，绝热体系的温度不变，说明反应处于平衡状态。3．在实践中，我们还可以依据下表中所列的有关项目对化学反应是否达到平衡状态进行推断：[例2]H2(g)＋I2(g)2HI(g)已经达到平衡状态的标记是________(填序号)。①c(H2)＝c(I2)＝c(HI)②c(H2)c(I2)c(HI)＝112③c(H2)、c(I2)、c(HI)不再随时间而变更④单位时间内生成nmolH2的同时生成2nmolHI⑤单位时间内生成nmolH2的同时生成nmolI2⑥反应速率v(H2)＝v(I2)＝eq\f(1,2)v(HI)⑦一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂⑧温度和体积确定时，容器内压强不再变更⑨温度和体积确定时，混合气体的颜色不再变更⑩温度和压强确定时，混合气体的密度不再变更⑪条件确定，混合气体的平均相对分子质量不再变更[解析]①②在非平衡状态下也能满意，不能作为推断的依据；⑤⑥⑧⑩⑪任何时刻都满意，也不能作为推断的依据；③④⑦⑨都满意各种物质的浓度不变，能作为推断反应达到平衡状态的标记。[答案]③④⑦⑨可逆反应2NO2(g)2NO(g)＋O2(g)在恒容密闭容器中进行：①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO③用NO2、NO和O2的物质的量浓度变更表示的反应速率比为221④混合气体的颜色不再变更⑤混合气体的密度不再变更⑥混合气体的压强不再变更⑦混合气体的平均相对分子质量不再变更可表示该反应达到化学平衡状态的是(A)A．①④⑥⑦ B．②③⑤⑦C．①③④⑤ D．全部解析：①中单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2，而生成nmolO2必同时消耗2nmolNO2，故v正(NO2)＝v逆(NO2)，说明反应已达到化学平衡状态。②中无论反应是否达到化学平衡状态，单位时间内生成nmolO2的同时都会生成2nmolNO。③中无论反应是否达到化学平衡状态，各物质所表示的化学反应速率之比都等于化学计量数之比。④有色气体的颜色不再变更，则表示体系中各物质的物质的量浓度不再变更，说明反应已达到化学平衡状态。⑤体积固定，气体的质量反应前后不变，无论反应是否达到化学平衡状态，气体的密度始终不变。⑥反应前后气体的体积不相等，压强不变，意味着各物质的含量不再变更，说明反应达到化学平衡状态。⑦由于反应前后气体的质量不变，且反应前后气态物质的化学计量数之和不相等，气体的平均相对分子质量不变时，说明气体中各物质的物质的量不变，说明反应达到平衡。探究点三化学反应条件的限制1．限制化学反应条件的基本思路(1)限制化学反应条件的目的化学反应有的快、有的慢；有的进行程度大、有的进行程度小；有的对我们有利、有的对我们不利。限制化学反应条件，目的就是通过改变更学反应的速率和反应进行的程度，使化学反应向着对我们有利的方面转化。(2)限制化学反应条件的基本措施①通过变更反应物的温度、浓度、气体压强(或浓度)、固体表面积以及催化剂的运用等，改变更学反应的速率；②通过变更可逆反应体系的温度、溶液浓度、气体压强(或浓度)等，变更可逆反应进行的限度。留意：a.对于客观上不能发生的化学反应，无法变更其反应速率；对于不行逆反应，无法变更其反应进行的限度。b．采纳限制化学反应条件的措施时，要和物质与技术条件、经济与社会效益相结合，既要力所能及，又要物有所值，不能单纯为改变更学反应的速率和限度而实行措施。2．限制化学反应条件的探讨案例分析——煤的燃烧(1)煤的状态与燃烧速率、燃烧程度之间的关系确定质量的固态煤，颗粒越小，总表面积越大；颗粒越大，总表面积越小。在化学反应中，其他条件相同，确定质量的固体反应物，总表面积越大，化学反应速率越快；总表面积越小，化学反应速率越慢。因此，其他条件相同，确定质量的煤，颗粒越小，燃烧越快；颗粒越大，燃烧越慢。同理，其他条件相同，液化煤比固态煤燃烧快，气化煤比液化煤燃烧快。(2)空气用量对煤燃烧充分度的影响及其缘由在化学反应中，其他条件相同时，气态反应物的压强(或浓度)越大，化学反应速率越快；气态反应物的压强(或浓度)越小，化学反应速率越慢。因此，其他条件相同时，增大空气的用量，煤燃烧充分度增大；减小空气的用量，煤燃烧充分度减小。留意：使煤充分燃烧，空气的用量要适当过量，不能太过量。过多无用的空气挥发时要带走热能，造成能源奢侈。(3)燃煤炉灶(膛)材料的选择煤燃烧放出热量能产生高温，因此，炉灶(膛)材料应具有确定的耐高温性；煤燃烧须要确定的温度，煤燃烧放出的热量要输送到运用目的地，因此，炉灶(膛)材料应具有确定的低传热性。常用黏土或黏土的制成品做燃煤炉灶(膛)的材料。(4)充分利用燃煤废气中的热量的主要措施燃煤产生的废气温度高、热能容量大。燃煤废气可以用于：①通过热水锅炉制造热水；②通过管道输送到室内供暖；③利用热交换器或其他传热装置将热能应用于某些工业生产。归纳总结——提高燃料燃烧效率的措施与意义(1)提高燃料燃烧效率的措施①尽可能使燃料充分燃烧，提高能量的转化率。关键是燃料与空气或氧气尽可能充分地接触，且空气要适当过量。②尽可能充分地利用燃料燃烧所释放出的热能，提高热能的利用率。(2)提高燃料燃烧效率的意义提高燃料燃烧效率的主要意义在于节约能源、节约资源、削减污染等。[例3]下列措施，能使煤炭燃烧更充分，提高热能利用率的是()A．向燃烧正旺的炉火上洒一些水B．把煤炭做成大煤球C．把煤中掺和一些黄泥做成蜂窝煤D．把煤粉碎，在煤粉燃烧器中燃烧[解析]A项中会发生吸热反应：C(s)＋H2O(g)=H2(g)＋CO(g)，不会使煤炭燃烧充分，也不能提高热能的利用率，B、C项无论从煤的粉碎程度，还是空气用量上都比不上D项。[答案]D下列措施可以提高燃料的燃烧效率的是(C)①提高燃料的着火点②降低燃料的着火点③将固体燃料粉碎④将液体燃料雾化⑤将煤气化处理A．①③④⑤ B．②③⑤C．③④⑤ D．①②③④1．当可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡后，通入18O2，再次达到平衡时，18O存在于(C)A．SO3和O2中 B．SO2和SO3中C．SO2、O2和SO3中 D．SO2和O2中解析：本题考查了化学平衡的特征——化学平衡是动态平衡，SO2和18O2反应生成了S18O3，S18O3又分解生成S18O2和18O2，故平衡混合物中含18O的粒子有S18O2、18O2、S18O3，故选C。2．CO和H2在确定条件下可以合成乙醇：2CO(g)＋4H2(g)CH3CH2OH(g)＋H2O(g)，下列叙述中能说明上述反应在确定条件下已达到最大限度的是(D)A．CO全部转化为乙醇B．正反应和逆反应的化学反应速率均为零C．CO和H2以12的物质的量之比反应生成乙醇D．反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变更解析：对于可逆反应，反应不能进行究竟，A错误；化学平衡为动态平衡，正逆反应速率相等且不为零，B错误；C项不能说明正逆反应速率相等，错误。3．下列关于化学反应限度的说法中不正确的是(C)A．当一个可逆反应达到平衡状态时，就是这个反应在该条件下所能达到的限度B．当一个可逆反应进行到平衡状态时，那么这个反应的正向反应速率和逆向反应速率相等C．平衡状态是一种静止的状态，因为反应物和生成物的浓度已经不再变更D．化学反应的限度可以通过变更条件而发生变更4．在确定温度下的定容密闭容器中，发生反应：A(s)＋2B(g)C(g)＋D(g)当下列物理量不再变更时，不能表明反应已达平衡的是(A)A．混合气体的压强B．混合气体的密度C．混合气体的平均相对分子质量D．固体A的质量5．下列说法中可以说明密闭容器中的反应：P(g)＋Q(g)R(g)＋S(g)在恒温下已达平衡状态的是(B)A．反应容器内压强不随时间变更B．P和S的生成速率相等C．反应容器内P、Q、R、S四者共存D．反应容器内总物质的量不随时间而变更解析：在该反应中，反应前后的气体的总物质的量不变，反应无论是否达到化学平衡，反应容器内压强都不随时间变更，总物质的量不随时间而变更，并且四种物质始终是共存的，正确答案为B。6．科学家始终致力于“人工固氮”的新方法探讨。目前合成氨技术原理为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，正反应为放热反应。在673K、30MPa下，上述合成氨反应中n(NH3)和n(H2)随时间的变更关系如图所示。下列叙述正确的是(A)A．点a的正反应速率比点b的大B．点c处反应达到化学平衡状态C．点d和点e处的n(N2)不相同D．点e处反应达到化学平衡状态，反应停止解析：点a反应物的浓度大于点b，浓度越大反应速率越快，故点a反应速率更大，故A项正确；点c之后氢气的物质的量接着减小，说明反应未达到平衡，故B项错误；点d、点e对应的氢气、氨气的物质的量已不再发生变更，说明反应处于平衡状态，点d和点e处的n(N2)相同，故C项错误；化学平衡是动态平衡，反应并未停止，故D项错误。7．在某一容积为5L的密闭容器内，加入0.2mol的CO和0.2mol的H2O(g)，在催化剂存在的条件下高温加热，发生如下反应：CO(g)＋H2O(g)eq\o(,\s\up17(催化剂),\s\do15(高温))CO2(g)＋H2(g)，反应放出热量。反应中CO2的浓度随时间变更的状况如下图所示。(1)依据图中数据，从反应起先至达到平衡时，CO的化学反应速率为0.003_mol·(L·min)－1；反应平衡时c(H2)＝0.03_mol·L－1。(2)推断该反应达到平衡的依据是AC(填序号)。A．CO削减的化学反应速率和CO2削减的化学反应速率相等B．CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等C．CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变更D．正、逆反应速率都为零解析：(1)由图可知第10min时反应达到平衡，所以v(CO)＝v(CO2)＝eq\f(ΔcCO2,t)＝eq\f(0.03mol·L－1,10min)＝0.003mol·(L·min)－1，反应时转化的浓度之比＝化学方程式的化学计量数之比，所以Δc(H2)＝Δc(CO)＝0.03mol·L－1。(2)达到平衡的标记是各物质的百分含量保持确定，浓度不变，正、逆反应速率相等且不为0。8．在2L密闭容器中，800℃时反应2NO＋O22NO2体系中，n(NO)随时间的变更如下表：时间(s)012345n(NO)/mol0.0200.010