人教版 (2019)必修 第二册第二节 化学反应的速率与限度教课课件ppt

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一、 化学反应限度1.可逆反应:
【想一想】什么是可逆反应?它有什么特点?提示:在同一条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应叫可逆反应。特点如下:
2.化学平衡的建立:(1)化学平衡建立的分析:①浓度对速率的影响的角度:在一定条件下,向反应容器中加入N2和H2发生反应:N2+3H2 2NH3。
②利用速率—时间(v-t)图象分析:
(2)化学平衡状态的概念:在一定条件下,可逆反应进行到一定程度时,正反应速率和逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度都_________,达到一种表面静止的状态。
【想一想】在已达到平衡的可逆反应2SO2+O2 2SO3中,由18O2代替等物质的量的O2。一段时间后,18O存在于哪些物质中?
提示:化学平衡是动态平衡,18O2代替等物质的量的O2后,18O2与SO2结合生成含18O的SO3,同时含18O的SO3分解,使SO2、O2中也含有18O,因此18O存在于SO2、O2、SO3这三种物质中。
(3)化学反应的限度:①化学平衡状态是可逆反应达到给定条件下所能达到的_________。②任何可逆反应在给定条件下的进行程度都有一定的限度。③改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度,即改变该反应的化学平衡。
【巧判断】(1)一个可逆反应达到的平衡状态就是该反应所能达到的最大限度。(　　)提示:×。化学平衡状态是可逆反应达到给定条件下所能达到的最大程度,条件改变限度可能改变。
(2)化学反应达到平衡状态时,该反应停止了。(　　)提示:×。可逆反应是动态平衡。
(3)可逆反应达到平衡状态时,各反应物、生成物的浓度相等。(　　)提示:×。可逆反应达到平衡状态时,各反应物、生成物的浓度不再改变,并非相等。
二、化学反应条件的控制1.目的:
2.化工生产中反应条件的调控:(1)考虑因素:化工生产中调控反应条件时,需要考虑控制反应条件的_____和___________。
(2)实例——合成氨生产条件的选择:
【情境·思考】生活中有很多现象都存在化学知识,如炉火越扇越旺,但蜡烛的火焰一扇就灭。
(1)同样是扇风结果为什么不同,试解释其中的原因?提示:“炉火越扇越旺”是扇风为燃烧提供了足量的氧气促进燃烧;“蜡烛的火焰一扇就灭”是由于空气流动带走大量的热量,使温度降低,低于了蜡烛的着火点。
(2)为了提高燃料的燃烧效率,应如何调控燃烧反应的条件?提示:①燃料与空气或氧气接触,且空气要适当过量。②尽可能使燃料充分燃烧,提高能量的转化率。③尽可能充分地利用燃料燃烧所释放出的热量,提高热能的利用率。
知识点　化学反应(限度)平衡状态的理解和判断【重点释疑】1.化学平衡状态的特征——“五字诀”:
2.化学平衡状态判断“三关注”“一等一不变”(1)三关注:①关注反应条件,是恒温恒容,恒温恒压,还是绝热恒容容器;②关注反应特点,是等体积反应,还是非等体积反应;③关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。
【易错提醒】(1)化学平衡的实质是同种物质的正、逆反应速率相等。用不同物质的正、逆反应速率判断是否达到化学平衡状态时,要根据化学反应速率之比等于化学计量数之比,转化为同种物质的速率进行比较。(2)利用v(正)=v(逆)>0判断平衡状态时注意:反应速率必须是一正一逆,不能都是v(正)或都是v(逆)。
【思考·讨论】某恒温恒容密闭容器中,发生如下反应:2A(g)+B(g) 3C(g)+D(s),混合气体的压强不再改变能否表明该反应已达到平衡状态?
提示:不能。D是固体,反应前后气体的物质的量不变,由于容器的体积不变,故气体的压强始终不变,因此压强不再改变,不能表明该反应已达到平衡状态。
【案例示范】【典例】在一个体积固定的密闭容器中,进行的可逆反应A(s)+3B(g) 3C (g)。下列叙述中表明可逆反应一定达到平衡状态的是 世纪金榜导学号(　　)
①C的生成速率与C的分解速率相等;②单位时间内生成a ml A,同时生成3 a ml B;③B的浓度不再变化;④混合气体总的物质的量不再发生变化;⑤A、B、C的物质的量之比为1∶3∶3;⑥混合气体的密度不再变化A.①②③　　B.①③④⑥　　C.①③⑥　　D.①③④
【思维建模】解答有关化学平衡标志的思维流程如下:
【解析】选C。①C的生成速率与C的分解速率相等,说明正逆反应速率相等,故①正确;②化学反应速率之比等于化学计量数之比,无论是否达到平衡状态,都存在单位时间内生成a ml A,同时生成3 a ml B,故②错误;③当反应达到化学平衡状态时,各物质的浓度不变,故③正确;④气体反应物与气体生成物的化学计量数之和相等,无论是否达到平衡状态,混合气体总的物质
的量都不变,故④错误;⑤平衡时各物质的物质的量取决于起始配料比以及转化的程度,不能作为判断是否达到平衡状态的依据,故⑤错误;⑥A为固体,当气体的总质量不变时,反应达到平衡状态,故⑥正确。
【母题追问】(1)混合气体的平均相对分子质量不变能否说明该反应达到平衡?提示:能。根据M= ,A是固体,反应前后气体的物质的量不变,但质量是改变的,因此当平均相对分子质量不再改变时,说明达到平衡。
(2)若A为气体,①～⑥中能够说明反应达到平衡状态的有哪些?提示:①③④。A为气体,则反应前后气体的总物质的量不相等,则④能够说明达到平衡;气体的质量和体积都不变,则密度始终不变,不能说明达到平衡。其他与原题一致。
【迁移·应用】　(2019·淮北高一检测)在恒温下的密闭容器中,有可逆反应:2NO+O2 2NO2(正反应为放热反应),不能说明已经达到平衡状态的是世纪金榜导学号(　　)A.正反应生成NO2的速率和逆反应生成O2的速率相等B.反应容器中压强不变C.混合气体颜色深浅保持不变D.混合气体的平均相对分子质量不随时间变化而变化
【解析】选A。该反应是一个反应前后气体物质的量不相等的反应,因此混合气体的平均相对分子质量、压强以及颜色保持不变,即说明达到平衡。A中表示的速率虽然方向相反 ,但速率之比不等于化学计量数之比,即应该是正反应生成NO2的速率和逆反应生成O2的速率的2倍相等,故A错。
【补偿训练】1.(2019·宿州高一检测)一定温度下,反应A2(g)+B2(g) 2AB(g)达到平衡的标志是 (　　)A.单位时间内生成n ml A2同时生成n ml ABB.容器内的总压强不随时间的变化而变化C.单位时间内生成2n ml AB同时生成n ml B2D.单位时间内生成n ml A2同时生成n ml B2
【解析】选C。在一定条件下,判断一个反应是否达到平衡,主要看正逆反应速率是否相等,体系中各组分的浓度(或含量)是否保持不变。A项中,生成A2是逆反应,生成AB是正反应。显然v(正)其他条件一定时,反应从开始至反应达到平衡压强就一直保持不变,故压强不变不能说明反应是否达到平衡状态;C项中,表明v(正)=v(逆),反应已达到平衡状态;D项中,只说明了逆反应速率,没有说明正反应速率,且不管平衡是否建立,只要反应在进行,生成A2和B2的物质的量之比始终为1∶1。
2.相同温度和压强下,在容积为2 L的密闭容器中发生反应:2HI H2+I2(g),达到平衡状态的标志是(　　)A.c(H2)保持不变B.c(H2)=c(I2)C.2v正(HI)=v逆(I2)D.拆开2 ml H—I共价键,同时生成1 ml H—H共价键
【解析】选A。在一定条件下的可逆反应中,如果正、逆反应速率相等,各组分的百分含量保持不变,则达到化学平衡状态。A项,c(H2)保持不变,符合要求;B项,c(H2)=c(I2),不一定是保持不变,不符合要求;C项,应为v正(HI)=2v逆(I2),错误;D项,拆开2 ml H—I共价键是正反应,同时生成1 ml H—H共价键,也是正反应,错误。
3.(2019·青岛高一检测)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)在体积不变的密闭容器中反应,下列叙述表示处于化学平衡状态的是(　　)A.N2、H2、NH3的浓度比为1∶3∶2的状态B.混合气体的密度不随时间而变化C.当有1 ml N≡N键断裂时,有6 ml N—H键断裂D.单位时间内消耗a ml N2的同时,消耗3a ml的H2的状态
【解析】选C。A中,N2、H2、NH3的浓度比等于化学计量数之比时,不能确定是否处于平衡状态,因为无法以v正=v逆和浓度是否不变进行判断。B中,因容器的体积不变,而混合气体的总质量不改变,则无论平衡与否,混合气体的密度均不变化。C中,当有1 ml N≡N键断裂时,相当于生成2 ml NH3(1 ml NH3中含有3 ml N—H键),即生成6 ml N—H,与有6 ml N—H键断裂
符合v(NH3)正=v(NH3)逆,故处于化学平衡状态。D中,消耗a ml N2的同时消耗3a ml H2是同向的,不管平衡与否,只要N2和H2反应就一定符合该比例。
【素养提升】化学平衡是一个相对静止的状态,是可逆反应在一定条件下达到的最大限度。回答有关硫酸制备中重要反应2SO2+O2 2SO3的有关问题:
(1)对于该反应的下列判断正确的有哪些?①2 ml SO2和足量的O2反应,必生成2 ml SO3②平衡时SO2、O2、SO3的分子数之比为2∶1∶2③平衡时SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的2倍④平衡时SO2的浓度必为O2浓度的2倍
提示:③。由于该反应是可逆反应,反应不可能完全进行,所以2 ml SO2和足量的O2反应,产生的SO3的物质的量必然小于2 ml,①错误;在反应过程中,SO2、O2、SO3这几种物质的分子数之比为2∶1∶2,但是平衡时不一定是这种关系,②错误;因为在平衡时任何物质的消耗速率与产生速率相同,在任何时刻SO2的消耗速率必定等于O2的消耗速率的2倍,当SO2的消耗速率等于O2
生成速率的2倍时,则说明O2的消耗速率等于O2生成速率,因此反应达到平衡状态,③正确;如果起始加入的SO2、O2的比例不是2∶1,则达到平衡时SO2的浓度不是O2浓度的2倍,④错误。
(2)加快该反应速率的因素有哪些?提示:使用催化剂、升高温度、增大反应物浓度、增大压强等。
(3)以下是该反应在不同条件下达到平衡状态时SO2的转化率。
从以上数据分析,最好选择的反应条件是什么?选择时考虑的因素有哪些?提示:选择400℃、0.1MPa。选择适宜的反应条件,既可以增大反应速率,缩短生产周期,又可以达到较大的反应限度,从而获得较大的产率。
【核心整合】1.化学反应速率
2.化学平衡——反应限度
3.“三段式”法在化学反应速率计算中的应用有关化学反应速率的计算往往数据比较多,关系复杂,往往可以通过“三段式”法,使各种数据直观、条理清晰、便于分析和计算。
(1) “三段式”法的基本步骤a.写出化学反应方程式并配平。b.根据题意,依次列出各反应物和生成物的起始浓度(或物质的量)、浓度(或物质的量)的变化量及一段时间后的浓度(或物质的量),未知量可以设未知数表示。
c.根据起始浓度(或物质的量)与一段时间后的浓度(或物质的量)的差等于浓度(或物质的量)的变化量,变化量之比等于对应物质的化学计量数之比,列出关系式计算。
有v(A)= ml·L-1·s-1,v(B)= ml·L-1·s-1,v(C)= ml·L-1·s-1,B的转化率为 ×100%。
【素养迁移】1.(2019·沈阳高一检测)下列各图所示的措施中,是为了加快其化学反应速率的是(　　)
【解析】选C。铁门表面喷漆是为了防止铁锈蚀,减小反应速率,A项错误。把食物放在冰箱中降温保存,是为了降低反应速率,B项错误。用扇子扇煤炉火,使其中的空气浓度增大,增大反应物的浓度,反应速率加快,C项正确。将木头电线杆头稍微烧焦些,使木头表面覆盖一层不容易反应的物质,因此可以使反应速率减慢,D项错误。
2.在一定温度下,某密闭且体积不变的容器内有可逆反应:A(g)+3B(g) 2C(g)。不能说明该反应达到化学平衡的标志是(　　)A.C物质的生成速率和分解速率相等B.A、B、C的浓度不再变化C.单位时间内生成a ml物质A,同时生成3a ml物质BD.A、C物质的分子数之比不变
【解析】选C。C物质的生成速率和分解速率相等,说明正、逆反应速率相等,A正确;对于可逆反应来说,判断反应是否已经达到平衡,主要看正逆反应速率是否相等,体系中各组分的浓度(或含量)是否保持不变,B项正确; C选项只说明了逆反应速率,没有说明正反应速率,C错误;随反应的进行A、C物质的分子数之比发生改变,当该比值不变时,说明达到化学平衡的标志,D正确。
3.一定条件下,将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g)。下列能说明反应达到平衡状态的是(　　)A.体系压强保持不变B.混合气体颜色保持不变C.SO3和NO的体积比保持不变D.每消耗1 ml SO3的同时生成1 ml NO2
【解析】选B。反应NO2(g)+SO2(g) SO3(g)+NO(g)是体积不变的可逆反应,因此A项不能说明;颜色的深浅与气体的浓度大小有关,而在反应体系中只有二氧化氮是红棕色气体,所以混合气体颜色保持不变时即说明NO2的浓度不再发生变化,因此B项可以说明;SO3和NO是生成物,因此在任何情况下二者的体积比总是满足1∶1,
C项不能说明;SO3和NO2一个作为生成物,一个作为反应物,因此在任何情况下每消耗1 ml SO3的同时必然会生成1 ml NO2,因此D项也不能说明。
【互动探究】(1)将上题A项“压强”改为“气体的总物质的量”能否说明达到平衡状态?提示:不能。该反应前后气体的物质的量始终保持不变。
(2)将上题C项“SO3和NO”改为“NO2和SO2”能否说明达到平衡状态?提示:能。开始时NO2与SO2体积比为1∶2,变化量之比为1∶1,未达到平衡时NO2与SO2体积比会发生变化,当保持不变时,表明反应达到平衡状态。
4.在10 L密闭容器中,1 ml A和3 ml B在一定条件下反应:A(g)+xB(g) 2C(g),2 min后反应达到平衡时,测得混合气体共3.4 ml,生成0.4 ml C,则下列计算结果正确的是世纪金榜导学号(　　)A.平衡时,物质的量之比n(A)∶n(B)∶n(C)=2∶11∶4B.x值等于3C.A的转化率为20%D.B的平均反应速率为0.4 ml·L-1·min-1
【解析】选C。　　　　　　　　　　A(g)+xB(g) 2C(g)起始物质的量(ml)1 3 0转化物质的量(ml)0.20.2x 0.4平衡物质的量(ml)0.83-0.2x0.4
则0.8 ml+3 ml-0.2x ml+0.4 ml=3.4 ml,x=4,B错;平衡时,物质的量之比为0.8∶(3-0.8)∶0.4=4∶11∶2,A错;A的转化率为 ×100%=20%,C正确;v(B)= ÷2 min=0.04 ml·L-1·min-1,D错。
5.(原创题)氮氧化物包括多种化合物,如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮 (NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮 (N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等。除二氧化氮以外,其他氮氧化物均极不稳定,遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮,一氧化氮又变为二氧化氮。某温度下,真空密闭容器中发生反应:2NO2 2NO+O2,经4 min后,测得混合气中NO2浓度为0.12 ml·L-1,O2的浓度为0.24 ml·L-1,且各物质的浓度不再发生变化。求:
(1)NO2的起始浓度是多少?(2)4 min时NO2的转化率是多少?(3)4 min内生成NO的化学反应速率是多少?(4)4 min时NO的体积分数是多少?(5)4 min时容器的压强是开始时的多少倍?
【解析】　　　　　　　　　2NO2 2NO+　O2c(起始)/ml·L-1 a 00c(转化)/ml·L-1 2c 2ccc(4 min)/ml·L-1 a-2c2cc由题意得:a-2c=0.12 ml·L-1,c=0.24 ml·L-1。
(1)NO2的起始浓度为a=0.12 ml·L-1+2×0.24 ml·L-1=0.6 ml·L-1。(2)α(NO2)= ×100%= ×100%=80%。(3)v(NO)= =0.12 ml·L-1·min-1。
(4)设容器体积为V L,则NO的体积分数= ×100%= ×100%=57.1%。(5)设容器体积为V L,
答案:(1)0.6 ml·L-1　(2)80%　(3)0.12 ml·L-1·min-1　(4)57.1%　(5)1.4
课题任务:以化学反应与热能、电能的转化为载体,解决能源问题【情境创设】中国氢能联盟在潍柴集团发布首个《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》,这是国内第一个高质量的氢能全产业链研究成果。
据白皮书研究数据显示,2050年氢能将在中国终端能源体系中占比达到10%,与电力协同互补,共同成为中国终端能源体系的消费主体。届时,可实现二氧化碳减排约7亿吨/年,累计拉动33万亿元经济产值。推动氢能产业高质量发展,是优化能源结构、保障能源安全和提高国家制造业创新能力的重要方向。
【素养解读】1.核心素养:(1)证据推理与模型认知:建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。(2)科学探究与创新意识:能发现和提出有探究价值的问题,能从问题和假设出发,依据研究目的,设计探究方案。
(3)科学态度与社会责任:具有探索未知、崇尚真理的意识;具有节约资源、保护环境的可持续发展意识。2.素养目标:通过课题的探究学习,掌握化学能与热能、电能的转化知识,初步养成绿色应用意识,增强社会责任感。
【素养探究】【探究一】氢能源的燃烧1.能源有多种分类方法,按基本形态分为一次能源和二次能源。按能源性质分为燃料型能源和非燃料型能源(水能、风能、地热能、海洋能)。按污染分为污染型能源和清洁型能源。
(1)按照上面分类标准,氢能源属于哪些类型?提示:H2是通过化学反应由水得到的,属于二次能源;燃烧放热,产物为水,故属于燃料型能源和清洁型能源。
(2)根据下列信息判断氢气燃烧生成水时的热量变化:
则H2O分解为H2与O2时放出还是吸收热量?生成1 ml H2O时热量变化是多少?
提示:根据能量变化可知,1 ml H2与 ml O2断键时吸收685 kJ能量,而生成1 ml H2O放出930 kJ能量,所以H2燃烧生成1 ml H2O的反应放热245 kJ,则H2O的分解是吸热反应。
(3)一定量的氢气在一定条件下完全燃烧生成气态水,放出热量值为Q1,等量的H2在同样条件下完全燃烧生成液态水,放出热量值为Q2,则Q1与Q2的关系如何?提示:Q1Q1。
(4)TiO2在光照射下可使水分解:2H2O 2H2↑+O2↑,该过程类似植物的光合作用。如图是光照射下TiO2分解水的装置示意图。该装置有哪些形式的能量转化?铂电极上发生的是氧化反应还是还原反应?
提示:该装置光分解水是将光能转化为化学能,发生氧化还原反应,生成氢气和氧气,电子的转移经过R,又将化学能转化为电能;铂电极上生成氢气的反应为2H++2e-====H2↑,是还原反应。
【探究二】氢氧燃料电池2.燃料燃烧时化学能转化为热能、光能等,但热能也不能被充分利用,如一部分随烟散失掉。燃料电池的出现,很大程度上提高了燃料能量的利用率。
(1)氢氧燃料电池能量转化率高,具有广阔的发展前景。现用氢氧燃料电池进行如图所示的实验(图中所用电极均为惰性电极):
氢氧燃料电池的正负极分别是哪一极?OH-如何移动?使用一段时间后电解质溶液的碱性如何变化?试写出电极反应式。
提示:通H2的一极发生氧化反应,为负极,通O2的一极发生还原反应,为正极;OH-移向负极(即a极);a电极的电极反应为H2-2e-+2OH-====2H2O,b电极的电极反应为O2+2H2O+4e-====4OH-。总反应式为2H2+O2====2H2O,则KOH溶液浓度减小,碱性减弱。
(2)在直接以甲醇为燃料的电池中,电解质溶液为酸性,负极、正极的反应式分别是什么?提示:负极:CH3OH+H2O-6e-====CO2↑+6H+,正极:O2+4H++4e-====2H2O。
【探究三】迁移应用3.如图为甲烷的燃料电池,将铂电极放置在KOH溶液中,然后向两极分别通入CH4和O2,即可产生电流,称为燃料电池。通入CH4的电极为正极还是负极?写出反应的化学方程式和正、负极电极反应式。
提示:CH4燃料电池中发生的反应为CH4+2O2+2OH-====C +3H2O,碳元素的化合价升高,通入CH4的电极为负极,通入O2的电极为正极;正、负极电极反应式分别为O2+2H2O+4e-====4OH-,CH4+10OH--8e-====C +7H2O。
【素养评价】1.宏观辨识与微观探析—水平1:能从物质的宏观特征入手对物质及其反应进行分类和表征。2.科学探究与创新意识—水平2:能对简单化学问题的解决提出可能的假设,依据假设设计实验方案,能运用多种方式收集实验证据,基于实验事实得出结论,提出自己的看法。
3.证据推理与模型认知—水平3:能通过定性与定量结合的方式收集证据,能通过定性分析和定量计算推出合理的结论;能认识物质及其变化的理论模型和研究对象之间的异同,能对模型和原型的关系进行评价及改进模型;能说明模型使用的条件和适用范围。
4.科学探究与创新意识—水平4:能根据文献和实际需要提出综合性的探究课题,根据假设提出多种探究方案,评价和优化方案。5.科学探究与创新意识—水平3:具有较强的问题意识,能提出探究的问题和假设,依据假设提出实验方案,独立完成实验。