高中化學 2_3_2 化學反應的限度 化學反應條件的控制教師用書 新人教版必修2
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第2課時 化學反應的限度 化學反應條件的控制 [目標導航] 1.了解可逆反應的含義及其特征。2.認識化學反應的限度，知道外界條件改變時化學反應限度能發(fā)生改變。3.初步了解化學反應達到平衡狀態(tài)的標志。4.了解控制反應條件在生產和科研中的作用。 一、化學反應的限度 1．可逆反應 (1)概念：在同一條件下正反應方向和逆反應方向均能進行的化學反應。 (2)特征：反應不能進行到底，或者在一定條件下反應物與生成物同時存在。 2．化學平衡狀態(tài) (1)建立過程： 如對于可逆反應2SO2＋O22SO3，在一定溫度下，將2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)通入一定體積的密閉容器中。其化學平衡建立的過程如圖所示。 ①反應開始時，正反應速率最大，原因是反應物濃度最大；逆反應速率為0，原因是生成物濃度為0。 ②反應進行中，正反應速率的變化是逐漸減小，原因是反應物濃度逐漸減??；逆反應速率的變化是逐漸增大，原因是生成物濃度逐漸增大。 ③反應一段時間(t1)后，正反應速率和逆反應速率的關系是大小相等，反應物的濃度不再改變，生成物的濃度不再改變。 (2)概念：對于可逆反應，如果外界條件(溫度、濃度、壓強等)不發(fā)生改變，當可逆反應進行到一定程度時，正反應速率與逆反應速率相等，反應物的濃度與生成物的濃度不再改變，達到一種表面靜止的狀態(tài)，稱為“化學平衡狀態(tài)”，簡稱化學平衡，化學平衡狀態(tài)是化學反應所能進行的最大限度。 (3)特征： ①等：v正＝v逆≠0。 ②動：化學平衡狀態(tài)是一種動態(tài)平衡。達到平衡狀態(tài)時，反應并沒有停止，這時正反應和逆反應都依然在進行。 ③定：反應物的濃度和生成物的濃度不再改變。 ④變：外界條件(溫度、濃度、壓強等)一旦改變，化學平衡狀態(tài)就會被破壞，并在新的條件下建立新的化學平衡。 點撥 化學反應速率改變，平衡不一定發(fā)生移動，如反應前后氣體體積不變的反應增大壓強或使用催化劑，正逆反應速率變化程度相同，v正＝v逆，平衡不移動；平衡發(fā)生移動，化學反應速率一定發(fā)生改變，移動的根本原因是外界條件改變，使v正≠v逆。 議一議 判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“” (1)任何可逆反應都有一定的限度( ) (2)化學反應達到限度時，正、逆反應速率相等( ) (3)化學反應的限度與時間的長短無關( ) (4)化學反應的限度是不可改變的( ) 答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4) 二、反應條件的控制 1．化學反應條件的控制 (1)目的：促進有利的化學反應，抑制有害的化學反應。 (2)基本措施 ①改變化學反應速率：改變反應體系的溫度、物質的濃度、氣體的壓強、固體的表面積以及催化劑的合理使用等。 ②改變可逆反應進行的限度：改變可逆反應體系的溫度、物質的濃度、氣體的壓強等。 2．提高煤的燃燒效率 (1)煤燃燒時，將煤塊粉碎成煤粉目的是增大與空氣中O2的接觸面積，煤粉燃燒更充分，反應速率快；通入適當過量的空氣可以使煤粉充分燃燒，生成CO2，放出更多的熱量；若空氣不足，會造成煤燃燒不完全，生成CO，產生熱量減少，且會造成污染。 (2)選擇保溫隔熱且耐熱的爐(灶)膛材料的主要目的是防止熱量散失。 (3)充分利用煤燃燒后的廢氣中的熱量可采取的措施是將燃燒后的廢氣通過熱交換裝置，供其他方面使用。 議一議 1．有兩個化學反應：2H2＋O22H2O,2H2O2H2↑＋O2↑，它們屬于可逆反應嗎？ 答案 不是。可逆反應是在同一條件下，正向反應和逆向反應同時進行的化學反應。以上兩個反應是分別在點燃和電解兩個不同條件下的反應，不屬于可逆反應。 2．可逆反應達到平衡后，正反應和逆反應是不是都停止了？ 答案 不是?？赡娣磻_到平衡后，正反應和逆反應都仍然進行，只是正反應使反應物的減少量(生成物的增加量)與逆反應使反應物的增加量(生成物的減少量)相等，從表面看沒有變化。 一、化學平衡狀態(tài)的判斷 例1 可逆反應：2NO22NO＋O2在體積固定的密閉容器中進行，達到平衡狀態(tài)的標志是( ) ①單位時間內生成n mol O2的同時生成2n mol NO2 ②單位時間內生成n mol O2的同時生成2n mol NO ③用NO2、NO、O2表示的反應速率的比為2∶2∶1的狀態(tài) ④混合氣體的顏色不再改變的狀態(tài) ⑤混合氣體的密度不再改變的狀態(tài) ⑥混合氣體的壓強不再改變的狀態(tài) ⑦混合氣體的平均相對分子質量不再改變的狀態(tài) A．①④⑥⑦ B．②③⑤⑦ C．①③④⑤ D．全部 解析?、僦袉挝粫r間內生成n mol O2的同時必消耗2n mol NO2，知v正＝v逆，所以①能說明達到平衡狀態(tài)；②所描述的都是指正反應方向的速率，無法判斷；③無論達到平衡與否，物質的反應速率之比等于化學方程式中物質的化學計量數(shù)之比；④有色氣體的顏色不變能夠說明達到了化學平衡；因容器體積固定，密度是一個常數(shù)，所以⑤不能說明；該反應是一個反應前后氣體體積不等的反應，容器的體積又固定，所以⑥⑦均能說明達到平衡。 答案 A 規(guī)律總結 化學平衡狀態(tài)的判斷 (1)直接標志 ①v正＝v逆 a．同一種物質的生成速率等于消耗速率； b．在化學方程式同一邊的不同物質的生成速率與消耗速率之比等于化學計量數(shù)之比； c．在化學方程式兩邊的不同物質的生成(或消耗)速率之比等于化學計量數(shù)之比。 ②各組分的濃度保持一定 a．各組分的濃度不隨時間的改變而改變； b．各組分的質量分數(shù)、物質的量分數(shù)、體積分數(shù)不隨時間的改變而改變。 (2)間接標志 ①反應體系中的總壓強不隨時間的改變而變化(適用于反應前后氣體體積不等的反應)。 ②對于反應混合物中存在有顏色變化的物質的可逆反應，若體系中顏色不再改變，則反應達到平衡狀態(tài)。 ③全是氣體參加的反應前后化學計量數(shù)改變的可逆反應，平均相對分子質量保持不變。 ④對同一物質而言，斷裂化學鍵的物質的量與形成化學鍵的物質的量相等。 變式訓練1 在一定溫度下，反應H2(g)＋I2(g)2HI(g)達到化學平衡狀態(tài)的標志是( ) A．單位時間內生成n mol H2，同時就有n mol HI生成 B．單位時間內有n mol H2生成，同時就有n mol I2生成 C．容器內氣體的總壓強不隨時間的變化而變化 D．1個H—H鍵斷裂的同時，有2個H—I鍵斷裂 答案 D 解析 生成H2是逆反應，生成HI是正反應，根據(jù)化學方程式中的化學計量數(shù)關系，如果正、逆反應速率相等，則生成n mol H2的同時應有2n mol HI生成，A錯誤；生成H2和生成I2均是逆反應，沒有說明正反應速率，且不管平衡是否建立，只要反應進行，生成H2和I2的物質的量之比始終為1∶1，B錯誤；該反應前后氣體總的物質的量保持不變，在其他條件一定時，反應從開始到反應達到平衡狀態(tài)時，壓強就一直保持不變，故氣體總的壓強不變不能說明反應已經達到平衡狀態(tài)，C錯誤；斷裂H—H鍵是正反應，斷裂H—I鍵是逆反應，根據(jù)化學方程式的化學計量數(shù)關系，斷裂1個 H—H 鍵的同時，有2個H—I鍵斷裂，其正反應速率等于逆反應速率，D正確。 二、有關化學平衡的簡單計算 例2 X、Y、Z為三種氣體，把a mol X和b mol Y充入一密閉容器中，發(fā)生反應X＋2Y2Z。達到平衡時，若它們的物質的量滿足：n(X)＋n(Y)＝n(Z)，則Y的轉化率為( ) A.100% B.100% C.100% D.100% 解析 設反應達平衡時消耗Y物質的量為x。則： X?。?Y2Z 起始量/mol a b 0 轉變量/mol x x 平衡量/mol a－ b－x x 依題意可得：＋(b－x)＝x x＝ mol Y的轉化率為100%＝100%，選B。 答案 B 規(guī)律總結 解答有關化學反應速率和化學平衡時的注意 事項 解答有關化學反應速率和化學平衡的計算題時，一般需要寫出化學方程式，列出起始量、變化量及平衡量，再根據(jù)題設其他條件和定律列方程求解。如： mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g) 起始/mol a b 0 0 轉化/mol mx nx px qx 平衡/mol a－mx b－nx px qx (1)關于反應物轉化率的計算 A的轉化率＝100%(計算式中A的量可以指反應物的物質的量、質量、濃度、體積等) (2)關于某組分的體積分數(shù)的計算 A的體積分數(shù)＝100% 注意 (1)轉化量與化學方程式中各物質的化學計量數(shù)成比例；(2)這里a、b可指物質的量、濃度、體積等；(3)對反應物：平衡時的量＝起始的量－轉化的量；對生成物：平衡時的量＝起始的量＋轉化的量。同時要注意差量法、守恒法等簡單計算方法在化學平衡中的應用。 變式訓練2 在容積可變的密閉容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定條件下發(fā)生反應，達到平衡時，H2的轉化率為25%，則平衡時氮氣的體積分數(shù)接近于( ) A．5% B．10% C．15% D．20% 答案 C 解析 達到平衡時，H2轉化的物質的量為8 mol25%＝2 mol。在一定條件下，N2與H2發(fā)生反應： N2＋3H22NH3 起始物質的量/mol 2 8 0 轉化物質的量/mol 2 平衡物質的量/mol 6 同溫同壓下，氣體的體積比等于其物質的量之比，故平衡時氮氣的體積分數(shù)為100%≈15%。 1．下列說法中不正確的是( ) A．當一個可逆反應達到平衡狀態(tài)時，就是這個反應在該條件下所能達到的限度 B．當一個可逆反應達到平衡狀態(tài)時，這個反應的正反應速率和逆反應速率相等 C．可以通過控制反應條件，使2 mol SO2與1 mol O2反應生成2 mol SO3 D．化學反應的限度可以通過改變條件來改變 答案 C 解析 對于可逆反應，達到平衡狀態(tài)時，正、逆反應速率相等，反應物的轉化率最大，A、B正確；2SO2＋O22SO3是可逆反應，無論怎樣控制條件，反應物的轉化率不可能達到100%，即2 mol SO2與1 mol O2反應不會生成2 mol SO3，C錯；化學反應的限度可通過改變條件，如溫度、壓強等來改變，D正確。 2．在一定溫度下的恒容密閉容器中，能說明反應X2(g)＋Y2(g)2XY(g)已達到平衡的是( ) A．容器內的總壓強不隨時間變化 B．容器中氣體的平均相對分子質量不隨時間變化 C．XY氣體的物質的量分數(shù)不變 D．X2和Y2的消耗速率相等 答案 C 解析 該反應的特點：一是可逆反應；二是反應前后氣體體積相等。根據(jù)氣體壓強之比等于氣體物質的量之比推斷，該反應在整個反應過程中總壓強是不變的，A不能說明該反應已經達到平衡；同理推斷，容器中氣體的平均相對分子質量始終不隨時間變化而變化，B不能說明該反應已經達到平衡；X2和Y2的化學計量數(shù)相等且均為反應物，其消耗速率始終相等。 3．如下圖，向A、B中均充入1 mol X、1 moI Y，起始時A、B的體積相等都等于a L。在相同溫度、壓強和催化劑存在的條件下，關閉活塞K，使兩容器中各自發(fā)生下述反應：X(g)＋Y(g)2Z(g)＋W(g) ΔH<0。達平衡時，A的體積為1.4a L。下列說法錯誤的是( ) A．反應速率：vB>vA B．A容器中X的轉化率為80% C．平衡時的壓強：pB＝pA D．平衡時向A容器中充入與反應無關的氣體M，能減慢A容器內化學反應的速率 答案 C 解析 對于X(g)＋Y(g)2Z(g)＋W(g)來說，正反應是氣體物質的量增大的反應，A、B容器分別在恒壓、恒容下建立平衡。平衡之前，由于B的氣體壓強增大，根據(jù)壓強對化學反應速率的影響可知，每個時刻的反應速率B都將大于A容器，即反應速率：vB＞vA，A正確；根據(jù)阿伏加德羅定律(同溫同容時，壓強之比等于物質的量之比)，達平衡后，混合氣體的物質的量是初始時物質的量的1.4倍，即1.42 mol＝2.8 mol，即增加了0.8 mol，根據(jù)化學方程式的計算可知， X(g)＋Y(g)2Z(g)＋W(g) Δn 1 1 0．8 mol 0.8 mol 即達平衡后，X反應掉0.8 mol，A容器中X的轉化率為80%，B正確；從反應開始至達到平衡，反應體系的壓強B>A，C錯誤；由于A是恒壓條件下進行反應，平衡時向A容器中充入與反應無關的氣體M，使體系的壓強增大，則容器的容積擴大，使反應混合物中各組成的物質的量濃度減小，化學反應速率減慢，D正確。 4．已知可逆反應：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)。 (1)若反應在一容積可變的密閉容器中進行，在其他條件不變的情況下，下列條件的改變對其反應速率無影響的是________(填字母，下同) A．保持體積不變，增加CO的物質的量 B．將容器的體積縮小一半 C．保持壓強不變，充入N2使容器體積增大 D．保持體積不變，充入N2使體系壓強增大 (2)若反應在一容積恒定的密閉容器內進行，能判斷該反應一定達到化學平衡狀態(tài)的是________。 ①容器內氣體的平均相對分子質量不隨時間而變化 ②v正(H2O)＝v逆(H2) ③容器內氣體的密度不隨時間而變化?、苋萜鲀葰怏w總質量不隨時間而變化?、菹膎 mol H2的同時消耗n mol CO A．①②③ B．①②③④ C．② D．①④⑤ 答案 (1)D (2)B 解析 (1)A項，增加CO的物質的量，由于體積不變，會使c(CO)增大，則速率加快；B項，容器體積縮小一半，各氣體的濃度都增大，則速率加快；C項，N2不參與反應，充入N2使容器的體積增大，從而使參與反應的各組分的濃度變小，速率變慢；D項，充入N2，體系壓強雖增大，但由于體積不變，則參與反應的各組分的濃度不變，對速率無影響。(2)由于C是固體，只要反應未達到平衡狀態(tài)，氣體的質量、密度、相對分子質量就是不斷變化的，它們不變時說明反應已達平衡狀態(tài)，故①③④正確；用不同物質的反應速率表示化學平衡狀態(tài)時必須一正一逆且速率數(shù)值之比等于化學計量數(shù)之比，故②正確；任何時刻，消耗n mol H2的同時都消耗n mol CO，⑤錯誤。 5．將等物質的量的氫氣和碘蒸氣放入密閉容器中進行反應：H2(g)＋I2(g)2HI(g)(正反應放熱)，反應經過5分鐘測得碘化氫的濃度為0.5 molL－1，碘蒸氣的濃度為0.25 molL－1。請?zhí)顚懸韵驴瞻祝? (1)v(HI)＝________________；v(H2)＝__________________________________； 氫氣的起始濃度＝________。 (2)若上述反應達到平衡時，則平衡濃度c(HI)、c(I2)、c(H2)的關系是______(填“相等”、“2∶1∶1”或“均為恒量”)。 答案 (1)0.1 molL－1min－1 0.05 molL－1min－1 0.5 molL－1 (2)均為恒量 [基礎過關] 題組1 控制反應條件 1．煤本身是可燃物質，但是塊狀的煤用明火靠近都不燃燒，而當煤變?yōu)榉勰顟B(tài)時，在空氣中達到一定的濃度遇明火即迅速爆炸，其原因是( ) A．粉末狀態(tài)的煤比塊狀煤的著火點低 B．粉末狀態(tài)的煤比塊狀煤放出的熱量多 C．粉末狀態(tài)的煤比塊狀煤的總表面積大 D．粉末狀態(tài)的煤呈氣態(tài)，屬于可燃性氣體 答案 C 解析 煤變?yōu)榉勰顟B(tài)時，總表面積大，與空氣中的氧氣密切接觸時，一旦遇見火源，便發(fā)生劇烈的氧化還原反應。 2．下列反應中可判斷為可逆反應的是( ) A．氫氣在氯氣中燃燒生成氯化氫，氯化氫受熱分解生成氫氣和氯氣 B．氮氣與氫氣在高溫、高壓、催化劑作用下可以生成氨氣，同時氨氣又分解為氮氣和氫氣 C．單質溴可以置換出碘，氯氣又可以置換出溴 D．氯氣和水反應生成鹽酸和次氯酸，次氯酸在光照條件下可分解為鹽酸和氧氣 答案 B 題組2 正確理解化學平衡狀態(tài) 3．在一密閉容器中進行反應：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，已知反應過程中某一時刻SO2、O2、SO3的濃度分別為0.2 molL－1、0.1 molL－1、0.2 molL－1，當反應達到平衡時，可能存在的數(shù)據(jù)是( ) A．SO2為0.4 molL－1，O2為0.2 molL－1 B．SO2為0.25 molL－1 C．SO2、SO3均為0.15 molL－1 D．SO3為0.4 molL－1 答案 B 解析 首先采用極限法分析。若反應向右進行到底，則有c(SO2)＝0，c(O2)＝0，c(SO3)＝0.4 molL－1；若反應向左進行到底，則有：c(SO2)＝0.4 molL－1，c(O2)＝0.2 molL－1，c(SO3)＝0?；瘜W反應的限度決定了可逆反應中的各種成分是不可能完全轉化的，所以平衡時各物質的濃度范圍為0
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