高中化学鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 化学反应的快慢和限度第2课时学案设计

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一、可逆反应
1．定义：在相同条件下同时向正、逆两个方向进行的反应。
2．表示方法：书写可逆反应的化学方程式时不用“===”号而用“”号。
可逆反应的能量特点
可逆反应的能量转化也是可逆的。如果正反应是放热反应，则逆反应是吸热反应。
二、化学平衡状态
1．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 ，反应物的浓度与生成物的浓度 ，达到一种表面静止的状态。
2．化学平衡状态的特点
三、化学平衡移动
1．化学平衡的移动
化学平衡是在一定条件下建立起来的，当条件 时，原来的化学平衡将被破坏，并在新的条件下建立起新的化学平衡。
此过程可以表示为
2．影响化学平衡的因素
除温度外， 、 (有气体参加的可逆反应)等外界条件的改变也可以使化学平衡发生移动。
1．判断下列说法是否正确：
(1)化学平衡状态时各物质的浓度相等。( )
(2)化学反应达到平衡时，各物质的反应速率均相等。( )
(3)化学平衡发生移动，化学反应速率一定改变；化学反应速率改变，化学平衡也一定发生移动。( )
2．某研究小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度，在一定条件下会达到“平衡状态”。他们设计了如下实验：取5 mL 0.1 ml·L－1KI溶液于试管中，滴加0.1 ml·L－1FeCl3溶液2 mL。
(1)写出上述实验过程中反应的离子方程式。
(2)怎样通过实验说明上述反应的发生。
(3)甲同学取少量反应液，滴加AgNO3溶液，发现有少量黄色沉淀(AgI)。此同学能否证明反应存在一定的限度？
3．可乐和雪碧中都溶解了二氧化碳，当打开可乐或雪碧时，会看到有大量气泡产生，为什么？
合作探究
化学平衡状态的判断
材料：高炉炼铁时，炼制1t生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，并且从高炉顶出来的气体中，总是含有没有被利用的CO气体。炼铁工程师认为设法增加高炉的高度让其充分接触以减少CO气体的量。然而，高炉不断增高后，高炉尾气中的一氧化碳的比例竟然没有改变。直到19世纪下半叶，法国科学家勒·夏特列经过深入的研究，才将这一谜底揭开。
认识化学反应的限度
(1)向2 mL 0.01 ml·L－1 KI溶液中加入1 mL 0.01 ml·L－1 FeCl3溶液，再加入几滴0.1 ml·L－1 KSCN溶液，出现血红色，为什么？
(2)在密闭容器中充入2 ml SO2和1 ml O2，在一定条件下发生反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，当充分反应后，最终容器中能否得到2 ml SO3?
探究可逆反应达到化学平衡状态的判断方法
(1)如图是可逆反应X2＋3Y22Z2在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线。
①t1时反应是否达到平衡状态？t2时正、逆反应速率的关系是怎样的？
②t2～t3时间段反应是否停止了？各物质的浓度还发生变化吗？
(2)在密闭容器中进行反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，当SO2、O2、SO3的浓度之比为2∶1∶2时，能否说明该反应达到化学平衡状态？
(3)在恒容密闭容器中进行反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，当压强恒定时，一定达到平衡吗？密度一定时呢？
思考讨论:
(1)化学反应达到平衡状态后各种参与反应的物质的浓度不再发生改变的原因是反应停止了吗？
(2)对于在容积固定的密闭容器中发生的反应，若反应体系的压强不变，反应一定达到平衡状态了吗？
(3)化学反应进行一段时间后，各组分的浓度相等时，化学反应是否达到平衡？
【典例】(2021·漳州高一检测)密闭容器中进行反应A(g)＋B(g)⇌C(g)＋D(g)，判断反应是否达到平衡的依据为( )
A．压强不随时间改变
B．气体的密度不随时间改变
C．c(A)不随时间改变
D．单位时间里生成C(g)和D(g)的物质的量相等

(1)当A、B、C、D的浓度之比为1∶1∶1∶1时，能否说明该反应达到化学平衡？(关键能力——归纳与论证)
(2)当容器中混合气体平均相对分子质量一定时，能否说明该反应达到化学平衡？(关键能力——归纳与论证)
规律方法:
化学平衡状态判断的依据
【备选例题】
(2021·济南高一检测)可逆反应：2NO2(g) 2NO(g)＋O2(g)，在体积不变的密闭容器中反应，达到平衡状态的标志是( )
A．单位时间内生成n ml O2的同时消耗2n ml NO2
B．单位时间内生成n ml O2的同时生成2n ml NO
C．NO2、NO、O2表示的浓度数值之比为2∶2∶1的状态
D．NO2的物质的量不再改变的状态
1．(2021·滨州高一检测)在一定温度下体积不变的密闭容器中，可逆反应A(g)＋3B(g) 2C(g)＋2D(g)达到平衡状态的标志是( )
A．各物质的浓度相等
B．A、B、C、D的浓度之比为1∶3∶2∶2
C．正反应速率与逆反应速率均为零
D．正反应速率与逆反应速率相等
2．(双选)在一个不传热的固定容积的密闭容器中发生可逆反应 mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qQ(g)，当m、n、p、q为任意整数时，达到平衡的标志是( )
A．体系的压强不再改变
B．体系的温度不再改变
C．各组分的质量分数不再改变
D．反应速率 vA∶vB∶vC∶vQ＝m∶n∶p∶q
【拔高题组】
1．(2021·会宁高一检测)一定温度下，在一容积不变的密闭容器中发生的可逆反应2X(g) Y(g)＋Z(s)，下列选项不能作为反应达到平衡标志的是( )
A．反应容器中压强不再变化
B．混合气体的密度不再变化
C．混合气体的平均相对分子质量不再变化
D．Z的浓度不再改变
2．(双选)在恒温恒容条件下发生可逆反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，下列能够说明反应已经达到平衡状态的是( )
A．c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)＝1∶3∶2
B．氨气的百分含量不再变化
C．断开一个N≡N键的同时有6个N—H键断裂
D．混合气体的质量不随时间的变化而变化
3．(2021·海淀区高一检测)在一定温度下的密闭容器中，当下列物理量不再变化时，表明反应A(s)＋2B(g) C(g)＋D(g)已达平衡的是( )
A．混合气体的压强
B．混合气体的密度
C．混合气体的分子数目
D．混合气体的总物质的量
(2021·广东选择考节选)我国力争于2030年前做到碳达峰，2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应：
a．CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)
b．CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)
c．CH4(g) C(s)＋2H2(g)
d．2CO(g) CO2(g)＋C(s)
e．CO(g)＋H2(g) H2O(g)＋C(s)
上述反应体系在一定条件下建立平衡后，下列说法正确的有____________。
A．增大CO2与CH4的浓度，反应a、b、c的正反应速率都增加
B．移去部分C(s)，反应c、d、e的平衡均向右移动
C．加入反应a的催化剂，可提高CH4的平衡转化率
D．降低反应温度，反应a～e的正、逆反应速率都减小
化学反应速率与化学平衡的关系
材料：1905年底，德国化学家哈伯发明了合成氨的方法。但什么样的高温高压条件为最佳及什么样的催化剂为最好仍是哈伯亟待解决的问题。经过四年几千次的试验和计算，哈伯终于取得了喜人的成果。就是在550 ℃、20 MPa和锇为催化剂的条件下，氨的产率约为6.25%。现代合成氨工艺的反应条件是铁触媒作催化剂，400～500 ℃，10～30 MPa，氨的产率为10%～15%。
探究外界条件对化学平衡的影响
(1)结合上述材料分析下列问题：
①氮气和氢气在550 ℃、20 MPa和锇为催化剂的条件下，氨的产率约为6.25%，此条件下的该反应是否达到了最大的限度？
②现代合成氨的产率大于哈伯合成氨的产率，说明化学反应的限度是否能够发生改变？
③实际的化工生产中，是不是只要化学反应的速率快就可以提高产品的产量？要提高产品的产量还要考虑哪些问题？
(2)如图所示将装有二氧化氮(NO2)和四氧化二氮(N2O4)混合气体的烧瓶分别浸入冷水和热水中，并与常温情况下进行对比。
根据实验中的现象分析烧瓶中气体颜色变化的原因。
探究化学反应速率与化学平衡的关系
(1)某一可逆反应，一定条件下达到了化学平衡状态。若化学反应速率改变，平衡状态一定发生改变吗？
(2)某一可逆反应，一定条件下达到了化学平衡状态。若平衡状态发生改变，化学反应速率一定改变吗？
1．化学反应速率与化学平衡的比较
2.化学平衡的移动
可以用下列图示理解：
易错提醒:化学平衡移动的几个易错点
(1)可逆反应只有达到平衡后才会有平衡的移动，在没达到平衡之前是化学平衡的建立过程，不是化学平衡的移动。
(2)平衡移动的本质是不同程度地改变了v(正)和v(逆)，故化学反应速率改变，化学平衡不一定移动，但化学平衡发生了移动，则化学反应速率一定改变。
(3)由于任何化学反应都伴有热效应，因此，对于可逆反应达到平衡状态后只要改变体系的温度，化学平衡一定发生移动，移动的方向取决于反应是放热还是吸热。
(4)由于催化剂可同等程度地改变v(正)和v(逆)，故催化剂不会使化学平衡发生移动。
思考讨论:
教材“观察·思考”中描述的反应体系，其中热水中的反应体系与冷水中的反应体系达到平衡后哪一个反应速率更快？
【典例】在2 L容器中有3种物质进行反应，X、Y、Z的物质的量随时间的变化曲线如图所示，反应在t时刻达到平衡。
(1)该反应的化学方程式是___________________________。
(2)反应起始至t时刻，Y的平均反应速率是__________。
(3)关于该反应的说法正确的是________。
A．到达t时刻该反应已停止
B．在t时刻之前X的消耗速率大于它的生成速率
C．在t时刻正反应速率等于逆反应速率
D．在t时刻达到平衡是因为此时反应物总物质的量与生成物总物质的量相等
(1)若反应为放热反应，在其他条件不变时，升高体系的温度，判断正反应和逆反应速率的变化情况，以及达到平衡的时间变化。(关键能力——归纳与论证)
(2)若其他条件不变时，升高体系温度Z的物质的量变为0.5 ml，判断此反应的逆反应是放热反应还是吸热反应？(关键能力——分析与推测)
规律方法:解答图象题的方法
【备选例题】
(2021·莆田高一检测)下列有关化学反应速率和限度的说法中，不正确的是( )
A．双氧水制氧气时加入少量二氧化锰，反应速率明显加快
B．铁粉代替铁钉与稀硫酸反应可以加快制取氢气的速率
C．2SO2＋O22SO3反应中，SO2的转化率不能达到100%
D．2SO2＋O22SO3反应达到化学平衡状态时，正、逆反应速率等于零
1．(2021·东莞高一检测)在已处于化学平衡状态的体系中，如果下列量发生变化，其中一定能表明平衡移动的是( )
A．反应混合物的浓度
B．反应物的转化率
C．正、逆反应速率
D．反应混合物的压强
2．(双选)(2021·郴州高一检测)对于反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，下列判断正确的是( )
A．2 ml SO2和足量的O2反应，必定生成2 ml SO3
B．当v(正)>v(逆)时，随着反应的进行，反应物的物质的量逐渐减小直至不变
C．正反应速率之比为v(SO2)∶v(O2)∶v(SO3)＝2∶1∶2 时，反应达到平衡
D．反应达到平衡后，升高温度，平衡一定发生移动
【拔高题组】
1．(2021·泰安高一检测)对处于化学平衡的体系，从化学平衡与化学反应速率的关系可知( )
A．化学反应速率变化时，化学平衡一定发生移动
B．化学平衡发生移动时，化学反应速率一定变化
C．正反应进行的程度大，正反应速率一定大
D．只有在催化剂存在下，才会发生化学反应速率变化而化学平衡不移动的情况
2．(2021·榆林高一检测)对于密闭容器中的反应2NO2(g) N2O4(g)，正反应为放热反应，若升高温度，则下列说法错误的是( )
A．气体的平均相对分子质量减小
B．混合物颜色加深
C．NO2的转化率减小
D．NO2的体积分数减小
氢气是合成氨的重要原料，合成氨反应的化学方程式为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) 。该反应为放热反应且每生成2 ml NH3，放出92.4 kJ的热量。
(1)当合成氨反应达到平衡后，改变某一外界条件(不改变N2、H2和NH3的量)，反应速率与时间的关系如图所示。图中表示反应处于化学平衡状态的时间段(t1时刻后)为________。
(2)在一定温度下，向一个容积为1 L的容器中通入2 ml氮气和8 ml氢气及固体催化剂，使之反应。已知平衡时容器内气体的压强为起始时的80%。反应达到平衡时，放出热量为________(填序号)。
A．小于92.4 kJ
B．等于92.4 kJ
C．大于92.4 kJ
D．可能大于或小于或等于92.4 kJ
(3)下列能证明反应已达化学平衡的标志为______(填序号)。
A．压强不变
B．体系的温度不变
C．N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2
D．v正(N2)＝ eq \f(1,3) v正(H2)
补偿训练:
红信石就是三氧化二砷的一种天然矿物，加工以后就是著名的砒霜。砷(As)是第四周期ⅤA族元素，可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物，有着广泛的用途。
298 K时，将20 mL 3x ml·L－1Na3AsO3、20 mL 3x ml·L－1I2和20 mL NaOH溶液混合，发生反应：AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(3)) (aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq) AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(4)) (aq)＋2I－(aq)＋ H2O(l)。溶液中c(AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(4)) )与反应时间(t)的关系如图所示。
①下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。
a．溶液的pH不再变化
b．v(I－)＝2v(AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(3)) )
c．c(AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(4)) )/c (AsO eq \\al(\s\up1(3－),\s\d1(3)) )不再变化
d．c(I－)＝y ml·L－1
②tm时，v正和v逆谁大？
③tm时v逆和tn时v逆谁大？理由是什么？
课堂测评
1．(水平1)下列对可逆反应的认识正确的是 ( )
A．SO2＋Br2＋2H2O===H2SO4＋2HBr与2HBr＋H2SO4(浓)===Br2＋SO2↑＋2H2O互为可逆反应
B．既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的反应叫可逆反应
C．在同一条件下，同时向正、逆两个方向进行的反应叫可逆反应
D．H2＋Cl2 eq \(=====,\s\up7(光照)) 2HCl与2HCl eq \(=====,\s\up7(电解)) H2↑＋Cl2↑互为可逆反应
2．(水平1·教材习题改编)反应2SO2＋O22SO3达到平衡后，再向反应容器中充入含氧的同位素 eq \\al(\s\up1(18),\s\d1( 8)) O的氧气，经过一段时间后， eq \\al(\s\up1(18),\s\d1( 8)) O存在于( )
A．O2 B．SO2
C．O2和SO2 D．O2、SO2和SO3
补偿训练:
(双选)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，在673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A．点a的正反应速率比点b的大
B．点c处反应达到平衡
C．点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样
D．点e处反应达到平衡
3．(水平1)下列关于化学反应限度的叙述错误的是( )
A．不同的化学反应，限度可能不同
B．可以通过改变温度来控制化学反应的限度
C．可以通过延长化学反应的时间来改变反应的限度
D．当一个化学反应在一定条件下达到限度时，正、逆反应速率相等
4．(双选)一定温度下，将3 ml SO2和1 ml O2充入一恒容密闭容器中，在催化剂存在下进行反应：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)，若2 ml SO2(g)和1 ml O2(g)完全反应生成2 ml SO3(g)，放出的热量为197 kJ，当达到反应限度时，下列说法中正确的是( )
A．达到反应限度时，生成的SO3为2 ml
B．达到反应限度时，反应放出的热量一定小于197 kJ
C．达到反应限度时SO2、O2、SO3的分子数之比一定为2∶1∶2
D．达到反应限度时SO2的消耗速率必定等于SO3的消耗速率
5．(水平2)一定温度下，体积一定的容器内发生可逆反应3X(g)＋Y(g)⇌4Z(g)，达到平衡的标志是( )
A．密度不随时间变化
B．3v正(X)＝v逆(Y)
C．单位时间内生成3n ml X，同时消耗n ml Y
D．压强不随时间变化
补偿训练:
对于可逆反应：4NH3(g)＋5O2(g) 4NO(g)＋6H2O(g)，下列叙述不能说明该反应已达到平衡状态的是( )
A．化学反应速率：4v正(O2)＝5v逆(NO)
B．NH3、O2、NO、H2O的分子个数比是4∶5∶4∶6
C．单位时间内生成4 ml NO的同时消耗6 ml H2O
D．反应混合物中NH3的体积分数不再改变
6．(水平2)某化学实验小组同学设计如图所示装置，烧瓶A、B中装有相同浓度的NO2和N2O4的混合气体，中间用止水夹K夹紧，烧杯甲中盛放100 mL 6 ml·L－1的盐酸，烧杯乙中盛放100 mL的冷水，两烧杯液体温度相同。现向烧杯甲的溶液中放入25 g NaOH固体，同时向烧杯乙中放入25 g NH4NO3固体，搅拌使之溶解。
(1)写出烧瓶中存在的反应的化学方程式_____________________，
实验前烧瓶中气体呈__________色。
(2)请将该实验探究的题目补充完整____________________。
(3)分别向甲、乙烧杯中加NaOH固体和NH4NO3固体后，某同学又用温度计测量两烧杯中液体的温度，发现甲中温度__________，乙中温度__________，原因是______________________。
同时发现A瓶中气体颜色变深，B瓶中气体颜色变浅。
(4)由此，该小组同学得出的结论是_________________________。
反应
mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
混合体系中各成分的含量
各物质的物质的量或物质的量分数一定
平衡
各物质的质量或质量分数一定
平衡
总压强或总物质的量一定
不一定平衡
正、逆反应速率的关系
在单位时间内消耗了m ml A同时生成m ml A
平衡
在单位时间内消耗了n ml B同时消耗了p ml C
平衡
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q
不一定平衡
在单位时间内消耗了p ml C同时消耗了q ml D[只有v(逆)]
不一定平衡
压强
m+n=p+q时,总压强恒定
不一定平衡
m+n≠p+q时,总压强恒定
平衡
混合气体平均相对分子质量
若m+n≠p+q,混合气体平均相对分子质量恒定
平衡
若m+n=p+q,混合气体平均相对分子质量恒定
不一定平衡
温度
当体系温度一定时(绝热体系)
平衡
体系的密度
密度一定
不一定平衡
其他
如体系颜色不再变化等
平衡
化学反应速率
化学平衡
概念
单位时间内反应物或生成物浓度的变化量
①条件一定；②可逆反应；③v(正)＝v(逆)≠0；④各物质的浓度一定
研究对象
反应的快慢
反应的限度
研究范围
所有化学反应
可逆反应
特点
单位不同，速率数值不同，用不同物质表示其值可能不同
逆、动、等、定、变
影响因素
浓度、温度、压强、催化剂等
浓度、温度、压强