人教版 (2019)必修 第二册第六章 化学反应与能量第二节 化学反应的速率与限度第2课时学案设计

第2课时　化学反应的限度　化学反应条件的控制

一、化学反应的限度

1．可逆反应

(1)概念：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。

(2)特点：①反应不能进行到底；

②在一定条件下反应物与生成物同时存在；

③正、逆反应方向同时进行。

2．化学平衡

(1)化学平衡的建立

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＋3H22NH3。

②利用速率—时间(v­t)图像分析(如图)：

(2)化学平衡状态的概念：在一定条件下，当反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度和生成物的浓度都不再改变，达到一种表面静止的状态，称之为化学平衡状态，简称化学平衡。

(3)化学反应的限度是指可逆反应在一定条件下所能达到或完成的最大程度，即该反应进行的限度。化学反应的限度决定了反应物在该条件下转化为生成物的最大转化率。

(4)转化率＝×100%。

(5)影响因素：改变反应条件，可以在一定程度上改变该反应的化学平衡状态。

　化学反应达到平衡时，浓度不再改变，反应停止了吗？为什么？

提示：没有停止，因为v正＝v逆≠0。

二、化学反应条件的控制

1．化学反应条件的控制

(1)目的：促进有利的化学反应，抑制有害的化学反应。

(2)基本措施

①改变化学反应速率：改变反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强、固体的表面积以及催化剂的合理使用等。

②改变可逆反应进行的限度：改变可逆反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强等。

(3)考虑因素：控制反应条件的成本和实际可能性。

2．提高煤的燃烧效率

(1)煤燃烧时，将煤块粉碎成煤粉目的是增大与空气中O2的接触面积，煤粉燃烧更充分，反应速率快；通入适当过量的空气可以使煤粉充分燃烧，生成CO2，放出更多的热量；若空气不足，会造成煤燃烧不完全，生成CO，产生热量减少，且会造成污染。

(2)选择保温隔热且耐热的炉(灶)膛材料的主要目的是防止热量散失。

(3)充分利用煤燃烧后的废气中的热量可采取的措施是将燃烧后的废气通过热交换装置，供其他方面使用。

　根据合成氨的反应特点，温度越低，压强越大，氨的产率越高，为什么合成氨采用压强为10 MPa～30 MPa、温度为400～500 ℃条件下进行？

提示：在合成氨的化工生产中，需要考虑控制反应条件的成本和实际可能性。合成氨的生产在温度较低时，反应速率小，一定时间内生成的NH3少；压强越大，对动力和生产设备的要求越高。综合考虑采用此条件进行。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)任何可逆反应都有一定的限度。 (　　)

(2)化学反应达到限度时，正、逆反应速率相等。 (　　)

(3)化学平衡状态是不可改变的。  (　　)

(4)任何反应，温度越高，反应速率越大，转化率越大。 (　　)

(5)煤燃烧时空气过量越多越好。  (　　)

[答案]　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×

2．对于可逆反应达到平衡时，下列说法不正确的是(　　)

A．反应物与生成物的浓度不再改变

B．正反应速率与逆反应速率均为零

C．各物质的组成之比不再改变

D．该条件下的反应物的转化率最大

[答案]　B

3．工业上使用煤作燃料时，为了使煤能充分燃烧，你认为可采取的措施有：

(1)_________________________________________________；

(2)_________________________________________________。

[答案]　(1)将煤粉碎，增加煤与空气的接触面积

(2)充入适当过量的空气

化学平衡状态的特征与判定

1．一定温度下，在定容的密闭容器中进行反应：

N2＋3H22NH3。下列说法能说明反应达到的平衡状态的是________________(填序号)。

①c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2　②c(H2)保持不变　③压强不再改变　④密度不变　⑤v(N2)∶v(H2)＝1∶3　⑥v正(N2)＝v逆(N2)　⑦单位时间内生成1 mol N2同时生成2 mol NH3　⑧气体的平均相对分子质量不变

[答案]　②③⑥⑦⑧

2．一定温度下，恒容密闭容器中发生反应：

C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)；下列说法证明反应达平衡状态的是________(填序号)。

①m(C)保持不变　②H2的体积分数不变　③气体的密度不变　④气体的摩尔质量不变　⑤压强不变　⑥v(CO)＝v(H2O)

[答案]　①②③④⑤

1．化学平衡状态的特征——“五字诀”

化学平衡状态的特征概括为逆、等、动、定、变，即

2．化学平衡状态的判定

(1)正、逆反应速率相等

①同种物质：v正＝v逆≠0

②不同种物质：＝

(2)各组分的浓度保持一定

①各组分的浓度不随时间的改变而改变；

②各组分的质量分数、物质的量分数、体积分数不随时间的改变而改变。

(3)间接标志——“变量不变”

①反应体系中的总压强不随时间的改变而变化(适用于反应前后气体体积不等的反应)。

②对于反应混合物中存在有颜色变化的物质的可逆反应，若体系中颜色不再改变，则反应达到平衡状态。

③全是气体参加的反应前后化学计量数改变的可逆反应，平均相对分子质量保持不变。

④对绝热密闭容器，温度保持不变。

⑤对恒压容器的非等体积气体反应，密度保持不变。

1．硫酸是一种重要的化工产品，硫酸的消耗量常被视为一个国家工业发展水平的一种标志。目前的重要生产方法是“接触法”，有关接触氧化反应2SO2＋O22SO3的说法不正确的是(　　)

A．该反应为可逆反应，故在一定条件下二氧化硫和氧气不可能全部转化为三氧化硫

B．达到平衡后，反应就停止了，故此时正、逆反应速率相等且均为0

C．一定条件下，向某密闭容器中加入2 mol SO2和1 mol O2，则从反应开始到达到平衡的过程中，正反应速率不断减小，逆反应速率不断增大，某一时刻，正、逆反应速率相等

D．达到平衡后，改变温度，平衡状态被破坏

B　[反应达到平衡，反应未停止，v正＝v逆≠0，B错误。]

2．在恒温下的密闭容器中，有可逆反应：2NO＋O22NO2(正反应为放热反应)，不能说明已经达到平衡状态的是(　　)

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

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。]

3．下列描述的化学反应状态，不一定是平衡状态的是(　　)

A．H2(g)＋Br2(g)2HBr(g)，恒温、恒容下，反应体系中气体的颜色保持不变

B．2NO2(g)N2O4(g)，恒温、恒容下，反应体系中气体的压强保持不变

C．CaCO3(s)CO2(g)＋CaO(s)，恒温、恒容下，反应体系中气体的密度保持不变

D．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，反应体系中H2与N2的物质的量之比保持1∶3

D　[恒温、恒容下，反应体系中气体的颜色保持不变，说明溴单质的浓度不再变化，达到了平衡状态，A错；2NO2(g)N2O4(g)是反应前后气体化学计量数和变化的反应，当恒温、恒容下，反应体系中气体的压强保持不变，达到了平衡状态，B错；CaCO3(s)CO2(g)＋CaO(s)，恒温、恒容下，反应体系中气体的密度等于气体质量和体积的比值，质量变化，体积不变，所以密度变化，当气体密度保持不变的状态是平衡状态，C错；N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反应体系中H2与N2的物质的量之比保持1∶3，不能证明正逆反应速率相等，不一定是平衡状态，D对。]

利用“变量”与“不变量”来判断化学平衡状态

(1)选变量

选定反应中“变量”，即随反应进行而变化的量，当变量不再变化时，反应已达平衡状态。

(2)常见的变量

①气体的颜色；②对于气体体积有变化的反应来说，恒压反应时的体积、恒容反应时的压强；③对于反应体系中全部为气体，且气体物质的量有变化的反应来说，混合气体的平均相对分子质量；④对于反应体系中不全部为气体的反应来说，恒容时混合气体的密度等。

(3)在利用、ρ、n(总)、p(总)判断时要注意反应特点和容器的体积变化问题。

平衡转化率的有关计算

【典例】　在一定温度下，发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，起始时，充入的N2和H2的物质的量分别是3.0 mol和6.0 mol，平衡时生成NH3的物质的量是2.4 mol。已知容器的容积为5.0 L，试求：

(1)H2的转化率是________。

(2)平衡时混合气体中N2的体积分数是________(保留一位小数)。

[解析]　 N2(g)　＋　3H2(g)　2NH3(g)

起始    3.0 mol    6.0 mol      0 mol

转化    1.2 mol    3.6 mol      2.4 mol

平衡    1.8 mol    2.4 mol      2.4 mol

(1)H2的转化率＝×100%＝60%。

(2)N2的体积分数＝×100%≈27.3%。

[答案]　(1)60%　(2)27.3%

“三段式”突破平衡转化率计算模型

　　　　　　mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)

起始/mol    a       b        0     0

转化/mol    mx     nx       px    qx

平衡/mol    a－mx  b－nx    px    qx

1．转化率：α(A)＝×100%，α(B)＝×100%。

2．气体体积分数(物质的量分数)

φ(A)＝×100%，

φ(D)＝×100%。

4．在10 L密闭容器中，1 mol A和3 mol 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 mol，生成0.4 mol C，则下列计算结果正确的是(　　)

A．平衡时，物质的量之比n(A)∶n(B)∶n(C)＝2∶11∶4

B．x值等于3

C．A的转化率为20%

D．B的平均反应速率为0.4 mol·L－1·min－1

C　[

则0.8 mol＋(3－0.2x)mol＋0.4 mol＝3.4 mol，解得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 mol·L－1·min－1，D错。]

5．在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于(　　)

A．5%　　　　 B．10%　

C．15%　　　 D．20%

C　[达到平衡时，H2转化的物质的量为8 mol×25%＝2 mol。在一定条件下，N2与H2发生反应：

同温同压下，气体的体积比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为×100%≈15%。]

1．下列反应中，不属于可逆反应的是(　　)

A．2NO2===N2O4与N2O4===2NO2

B．H2＋I22HI与2HIH2＋I2

C．CO2＋H2O===H2CO3与H2CO3===CO2↑＋H2O

D．CaO＋CO2===CaCO3与CaCO3CaO＋CO2↑

[答案]　D

2．一定温度下，在恒容密闭容器中发生反应：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)。当SO2、O2、SO3的浓度不再变化时，下列说法正确的是(　　)

A.该反应已达化学平衡状态

B．正、逆反应速率相等且等于零

C．SO2和O2全部转化为SO3

D．SO2、O2、SO3的浓度一定相等

[答案]　A

3．可以证明可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)已达到平衡状态的是(　　)

①6个N—H键形成的同时，有3个H—H键断裂

②3个H—H键断裂的同时，有6个N—H键断裂

③其他条件不变时，混合气体平均相对分子质量不再改变

④保持其他条件不变时，体系压强不再改变

⑤NH3、N2、H2的百分含量都不再改变

⑥恒温恒容时，气体密度保持不变

⑦正反应速率v(H2)＝0.6 mol·L－1·min－1，逆反应速率v(NH3)＝0.4 mol·L－1·min－1

A．全部　　　 B．②③④⑤⑥⑦

C．②③④⑤⑦     D．③④⑤⑥⑦

C　[无论是否达到平衡状态，有6个N—H键形成的同时，一定有3个H—H键断裂，所以不能证明该反应达到平衡状态，①错误；3个H—H键断裂的同时有6个N—H键断裂，说明正反应速率等于逆反应速率，所以能说明该反应达到平衡状态，②正确；该反应是气体分子数减小的反应，因气体混合物的质量不变，所以其他条件不变时，混合气体的平均相对分子质量不再改变，说明气体总物质的量不变，能说明该反应达到平衡状态，③正确；该反应是气体分子数减小的反应，保持其他条件不变时，体系压强不再改变，说明气体物质的量不再改变，能说明该反应达到平衡状态，④正确；反应达到平衡状态时，各物质的百分含量不变，所以NH3、N2、H2的百分含量都不再改变能说明该反应达到平衡状态，⑤正确；恒温恒容时，气体的总质量不变，体积不变，气体的密度始终不变，所以气体密度保持不变不能说明该反应达到平衡状态，⑥错误；v正(H2)表示消耗H2的速率，v逆(NH3)表示消耗NH3的速率，v正(H2)∶v逆(NH3)＝3∶2，说明正、逆反应速率相等，能说明该反应达到平衡状态，⑦正确；综上所述，②③④⑤⑦符合题意。]

4．下列关于提高燃料燃烧效率的说法，不正确的是(　　)

A．空气量越多越好

B．应通入适量的空气

C．固体燃料燃烧前最好粉碎

D．液体燃料燃烧时可以以雾状喷出

A　[燃料充分燃烧，把固体粉碎或液体雾化都是为了增大与空气的接触面积有利于充分燃烧，而空气的量要适当，因空气量过多，会带走一部分热量。]

5．(素养题)在2 L密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，一定条件下发生反应，2 min后达到平衡状态。相同温度下，测得平衡时混合气体的压强比反应前混合气体的压强减小了。

请据此填空：

(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为________________。

(2)N2的转化率为________。

(3)2 min内，NH3的平均反应速率为_________________。

[解析]　根据反应前后混合气体的压强之比等于其物质的量之比，可得平衡时混合气体的物质的量减少了4 mol×＝0.4 mol。由化学方程式N2＋3H22NH3可知，生成的氨气的物质的量为0.4 mol。

(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为0.8 mol∶2.4 mol∶0.4 mol＝2∶6∶1。

(2)N2的转化率为×100%＝20%。

(3)2 min内，NH3的平均反应速率为

＝0.1 mol·L－1·min－1。

[答案]　(1)2∶6∶1　(2)20%　(3)0.1 mol·L－1·min－1