第 2 课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制 学习目标定位 1.通过实验认识化学反应的限度、可逆反应和化学平衡的含义，知道当一定的外界条件改变时化学反应限度可能发生改变。2.了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 一 化学反应限度 1.可逆反应 (1)定义：在相同条件下，正反应方向和逆反应方向均能同时进行的化学反应称为可逆反应。 (2)特征 可逆反应在一定条件下不能进行到底，只能进行到一定程度，反应有一定限度，即达到平衡状态，此时各物质的量都大于零； 在可逆反应的化学方程式中，用“”号代替“=”号。 2.化学平衡的建立 (1)对于可逆反应 2SO2O2催化剂2SO3，在一定温度下，将 2 mol SO2(g)和 1 mol O2(g)通入一定体积的密闭容器中。其化学反应速率与时间关系如图所示。分析回答下列问题： 反应开始时，正反应速率最大，原因是反应物浓度最大；逆反应速率为 0，原因是生成物浓度为 0； 反应进行中，正反应速率的变化是逐渐减小，原因是反应物浓度逐渐减小；逆反应速率的变化是逐渐增大，原因是生成物浓度逐渐增大； 反应一段时间(t1)后， 正反应速率和逆反应速率的关系是大小相等， 反应物的浓度不再改变，生成物的浓度不再改变。 (2)化学平衡状态也可从逆反应开始建立。如图： 3.化学平衡状态 (1)化学平衡状态的概念：如果外界条件(温度、浓度、压强等)不发生改变，当可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度与生成物的浓度不再改变，达到一种表面静止的状态，称为“化学平衡状态”，简称化学平衡，化学平衡研究的对象是可 逆反应。 (2)化学平衡状态的特征： 4.影响化学反应的限度的因素 (1)决定因素：化学反应的限度首先决定于反应物的化学性质。不同的可逆反应在给定条件下的化学反应限度不同，反应物的最大转化率不同。 (2)外界因素：化学反应的限度受温度、浓度、压强等条件的影响。改变其中的一个条件，可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。要注意的是，压强只影响有气体物质参与或生成的可逆反应的限度。 归纳总结 化学平衡状态的判断方法 可逆反应达到平衡状态时主要有以下两个特征：v正v逆；混合物中各组分的百分含量不变(除百分含量外其他在反应过程中变化的量，达到平衡后均不再发生变化，即“变化量达不变”)。 以上两个特征均可作为判断可逆反应达平衡的标志。对于反应 mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)，判断下列条件下是否平衡。 条件 是否平衡 正、逆反应速率的关系 在单位时间内消耗了 m mol A，同时生成 m mol A，则 v(正)v(逆) 平衡 在单位时间内消耗了 n mol B， 同时消耗了 p mol C，则 v(正)v(逆) 平衡 v(A)v(B)v(C)v(D)mnpq，v(正)不一定等于 v(逆) 不一定 平衡 在单位时间内生成了 n mol B， 同时消耗了 q mol D，不一定 v(正)不一定等于 v(逆) 平衡 变 化 量 达 不 变 的 关 系 混合物体系中各成分的含量 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡 各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡 各气体的体积或体积分数一定 平衡 总体积、总压强、总物质的量一定 不一定 平衡 压强 mnpq 时，总压强一定(其他条件一定) 平衡 mnpq 时，总压强一定(其他条件一定) 不一定 平衡 混合气体的平均相对分子质量( Mr) Mr一定，且 mnpq 平衡 Mr一定，且 mnpq 不一定 平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量的变化， 当体系温度一定时(其他条件一定) 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 活学活用 1.某可逆反应达到平衡状态时，下列说法正确的是( ) 正反应和逆反应同时进行，两者的速率完全相等 反应物和生成物同时存在，两者的浓 度相同 混合物的组成比例不会因时间而改变 A. B. C. D. 答案 B 解析 可逆反应达到平衡状态时，v正v逆0，且各组分的含量保持不变，故正确；而反应物和生成物浓度相同，只是反应达到的某一特殊状态，并不一定达到平衡。 2.在一定温度下，反应 H2(g)I2(g)2HI(g)达到化学平衡状态的标志是( ) A.单位时间内生成 n mol H2，同时就有 n mol HI 生成 B.单位时间内有 n mol H2生成，同时就有 n mol I2生成 C.容器内气体的总压强不随时间的变化而变化 D.1 个 HH 键断裂的同时，有 2 个 HI 键断裂 答案 D 解析 选项 A，生成 H2是逆反应，生成 HI 是正反应，根据化学方程式中的化学计量数关系，如果正、逆反应速率相等，则生成 n mol H2的同时应有 2n mol HI 生成，因此 A 选项并没有达到化学平衡。 选项 B，生成 H2和生成 I2均是逆反应，没有说明正反应速率，且不管平衡是否建立，只要反应进行，生成 H2和 I2的物质的量之比始终为 11。因此 B 选项并不一定达到化学平衡。 选项 C，该反应前后气体总的物质的量保持不变，在其他条件一定时，反应从开始到反应达到平衡状态时， 压强就一直保持不变， 故气体总的压强不变不能说明反应已经达到平衡状态。 选项 D，断裂 HH 键是正反应，断裂 HI 键是逆反应，根据化学方程式的计量数关系，断裂 1 个 HH 键的同时，有 2 个 HI 键断裂，其正反应速率等于逆反应速率，因此 D 选项一定达到了化学平衡状态。 理解感悟 在运用“v正v逆”来判断反应是否达到化学平衡状态时，要把握两点：既要描述正反应，又要描述逆反应；根据化学方程式的计量数关系来判断速率是否相等。只有这两点均满足，才能说明达到化学平衡状态。 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 改变化学反应速率：改变反应物的温度、溶液中溶质的浓度、气体压强(或浓度)、固体表 面积以及催化剂的合理使用等； 改变可逆反应进行的限度：改变可逆反应体系的温度、溶液中溶质的浓度、气体压强(或浓度)等。 2.提高煤的燃烧效率问题探究 (1)煤燃烧时，将煤块粉碎成煤粉的依据是与空气中 O2的接触面积增大，煤粉燃烧更充分，反应速率快；通入过量空气的依据是空气充足，煤粉燃烧充分，生成 CO2，放出热量多，若空气不足，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交换装置，供其他方面使用。 归纳总结 1.提高燃料的燃烧效率的措施 (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要尽可能充分接触，且空气要适当过量。 (2)尽可能充分利用燃料燃烧所释放出的热能，提高热能的利用率。 2.提高燃料的燃烧效率的意义在于节约能源、节省资源、减少污染。 活学活用 3.将煤块粉碎、经脱硫处理、在适当过量的空气中燃烧，这样处理的目的是( ) 使煤充分燃烧，提高煤的利用率 减少 SO2的产生，避免造成“酸雨” 减少有毒的CO 产生，避免污染空气 减少 CO2的产生，避免“温室效应” A. B. C. D. 答案 A 解析 煤块粉碎是为了提高煤的利用率；脱硫是为了减少 SO2的产生；过量空气是为了减少CO 的产生。 4.下列措施可以提高燃料燃烧效率的是( ) 提高燃料的着火点 降低燃料的着火点 将固体燃料粉碎 将液体燃料雾化处理 将煤进行气化处理 通入适当过量的空气 A. B. C. D. 答案 C 解析 理论上，提高燃料燃烧效率的常用方法是增大燃料与空气的接触面积，并通入适当过量的空气。对于和，由于燃料的着火点是其固有的性质，不可改变，故这两项措施不可行。所采取的措施均是为了增大燃料与空气的接触面积。 理解感悟 当今世界各国能源研究的前沿课题之一就是如何提高燃烧效率，节约能源。如果我们能把煤等燃料的燃烧利用率提高一倍，就相当于将这些燃料的使用时间延长一倍。燃料燃烧不充分，不仅使燃料燃烧产生的热量减少，浪费资源，而且还会产生大量的 CO 等气体。这些气体及燃烧时产生的固体颗粒等随烟气排出后，会污染空气，危害人体健康。为了提高锅炉的供热效率， 工业上常采用粉碎固体燃煤的方法， 从而使固体燃煤可以和液体燃料一样，采用“喷雾”式的燃烧工艺，以增大燃料与空气的接触面积，提高燃烧效率。煤的气化和液化是高效、清洁地利用煤炭的重要途径。 当堂检测 1.化学反应限度的调控在工业生产和环保技术等方面得到了广泛的应用，如果设法提高化学反应的限度，下列说法错误的是( ) A.能够节约原料和能源 B.能够提高产品的产量 C.能够提高经济效益 D.能够提高化学反应速率 答案 D 2.下列对可逆反应的认识正确的是( ) A.SO2Br22H2O=H2SO42HBr 与 2HBrH2SO4(浓)=Br2SO22H2O 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.电解水生成氢气和氧气与氢气和氧气点燃生成水的反应是可逆反应 答案 C 解析 正确理解可逆反应定义中的“同一条件下”、“同时”、“正、逆两个方向”等关键 字眼。 3.可逆反应达到化学平衡状态的重要特征是( ) A.反应停止了 B.正、逆反应的速率都为 0 C.正、逆反应都还在进行 D.正、逆反应的速率相等且不为 0 答案 D 4.在一定温度下的恒容密闭容器中，能说明反应 X2(g)Y2(g)2XY(g)已达到平衡的是( ) A.容器内的总压强不随时间变化 B.容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化 C.XY 气体的物质的量分数不变 D.X2和 Y2的消耗速率相等 答案 C 解析 该反应的特点：一是可逆反应；二是反应前后气体体积相等。根据气体压强之比等于气体物质的量之比推断，该反应在整个反应过程中总压强是不变的，A 项不能说明该反应已经达到平衡；同理推断，容器中气体的平均相对分子质量始终不随时间变化而变化，B 项不能说明该反应已经达到平衡；X2和 Y2的化学计量数相等，其消耗速率始终相等。 5.关于燃料充分燃烧的下列说法不正确的是( ) A.空气量越多越好 B.固体燃料颗粒越细越好 C.同等情况下，气体燃料燃烧效率比固体燃料的燃烧效率要高 D.温度必须达到燃料的着火点 答案 A 解析 燃料燃烧时，空气的量并不是越多越好，过量的空气会带走一部分热量，造成能量的损失。 40 分钟课时作业 基础过关 一、可逆反应的特点及其判断 1.反应 2SO2O22SO3达到平衡后，再向反应容器中充入含氧的同位素18 8O 的氧气，经过一段时间后，18 8O 原子存在于( ) A.O2 B.SO2 C.O2和 SO2 D.O2、SO2和 SO3 答案 D 解析 可逆反应在相同条件下， 可以同时向两个反应方向进行， 反应体系中各物质同时存在，由于三种物质均含有氧元素，故18 8O 原子可能存在于三种物质中。 2.下列反应中可判断为可逆反应的是( ) A.氢气在氯气中燃烧生成氯化氢，氯化氢受热分解生成氢气和氯气 B.氮气与氢气在高温、高压、催化剂作用下可以生成氨气，同时氨气又分解为氮气和氢气 C.单质溴可以置换出碘，氯气又可以置换出溴 D.氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，次氯酸在光照条件下可分解为盐酸和氧气 答案 B 二、化学平衡状态的特征 3.一定温度下，可逆反应 A(g)3B(g)2C(g)未达到平衡的是( ) A.C 的生成速率与 C 的分解速率相等 B.单位时间生成 n mol A 消耗 4n mol B C.A、B、C 的浓度不再变化 D.C 的百分含量达到最大值 答案 B 解析 化学平衡的标志是正反应速率与逆反应速率相等。C 的生成速率是正反应速率，C 的分解速率是逆反应速率，A 项达到平衡；A、B、C 各物质的浓度不变化，是平衡状态的宏观表现，C 项达到平衡；逆反应生成 n mol A，同时生成 3n mol B，对于正反应却消耗了 4n mol B，说明 v正v逆，反应向正反应方向进行，B 项未达到平衡；C 的百分含量达到最大值，说明反应达到限度，即 D 项达到平衡。 4.在一定温度下，向密闭容器中充入一定量的 NO2和 SO2，发生反应：NO2SO2NOSO3(g)，当化学反应达到平衡时，下列叙述正确的是( ) A.SO2和 SO3的物质的量一定相等 B.NO2和 SO3的物质的量一定相等 C.反应混合物的总物质的量一定等于反应开始时 NO2和 SO2的总物质的量 D.SO2、NO2、NO、SO3的物质的量一定相等 答案 C 解析 题中没有给出各物质的投料情况，NO2、SO2和 SO3的量之间没有必然的关系，可能相等，也可能不等，A、B、D 项错；该反应反应前后气体分子数不变，故反应混合物的总物 质的量一定等于反应开始时 NO2和 SO2的总物质的量，C 项正确。 5.下列说法中不正确的是( ) 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.当一个可逆反应达到平衡状态时，这个反应的正反应速率和逆反应速率相等 C.可以通过控制反应条件，使 2 mol SO2与 1 mol O2反应生成 2 mol SO3 D.化学反应的限度可以通过改变条件来改变 答案 C 解析 对于可逆反应，达到平衡状态时，正、逆反应速率相等，反应物的转化率最大，A、B项正确；2SO2O22SO3是可逆反应，无论怎样控制条件，反应物的转化率不可能达到100%，即 2 mol SO2与 1 mol O2反应不会生成 2 mol SO3，C 项错；化学反应的限度可通过改变条件，如温度、压强等来改变，D 项正确。 三、化学平衡状态的判断 6.一定条件下，可逆反应 2AB3C，在下列四种状态中，处于平衡状态的是( ) 正反应速率 逆反应速率 A.vA2 molL1min1 vB2 molL1min1 B.vA2 molL1min1 vC2 molL1min1 C.vA1 molL1min1 vB2 molL1min1 D.vA1 molL1min1 vC1.5 molL1min1 答案 D 解析 将逆反应速率根据化学方程式统一折算成 A 表达的速率， 来表示 A 的生成速率， 正反应速率表示 A 的消耗速率，二者相等，则说明达到了平衡状态。 7.在一定温度下，反应 A2(g)B2(g)2AB(g)达到化学平衡的标志是( ) A.容器内 A2、B2、AB 三种气体的浓度相等 B.单位时间内有 x mol A2生成，同时就有 x mol B2生成 C.单位时间内有 x mol A2被消耗，同时就有 2x mol AB 生成 D.单位时间内有 x mol B2发生反应，同时就有 2x mol AB 被分解 答案 D 解析 选项 A，达到化学平衡的标志是反应体系中各物质的浓度不再变化，而不是浓度的具体值为多少，达到平衡时各物质的浓度大小不仅与反应限度有关，还与起始加入的物质的浓度有关。选项 B 所指的均是逆反应，选项 C 所指的均是正反应，都不能体现出正、逆反应速 率相等，因此是错误的。 8.在一定温度下的定容密闭容器中，当物质的下列物理量不再变化时，表明反应：A(g)B(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.B 的物质的量浓度 D.气体的总物质的量 答案 C 解析 根据化学反应方程式的特点：各物质均为气态且反应前后气体的计量数之和相等，故在反应过程中气体的物质的量不变，压强也不变；由质量守恒，该反应在恒容容器中进行，体系的密度不变，故 A、B、D 三项中的物理量均不能作为平衡状态的判据。 四、化学反应条件的控制 9.下列措施，能使煤炭燃烧更充分，提高热能利用率的是( ) A.多加煤以使炉火更旺 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 答案 D 解析 A 项中只会增加煤的用量，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。 10.天然气和液化石油气燃烧的主要化学方程式依次为 CH42O2 点燃CO22H2O，C3H85O2 点燃3CO24H2O。现有一套以天然气为燃料的灶具，今改为燃烧液化石油气，应采取的正确措施是( ) A.减少空气进入量或增大石油气进入量 B.增大空气进入量或减少石油气进入量 C.减少空气进入量或减少石油气进入量 D.增大空气进入量或增大石油气进入量 答案 B 解析 从燃烧的化学方程式知，燃烧单位体积的天然气比液化石油气耗 O2少。因此，原来烧天然气的灶具今若改烧液化石油气，必须增大空气进入量或减少石油气进入量。 能力提升 11.一定条件下， 对于反应 X(g)3Y(g)2Z(g)， 若 X、 Y、 Z 的起始浓度分别为 c1、 c2、 c3(均不为零)。达平衡时，X、Y、Z 浓度分别为 0.1 molL1、0.3 molL1和 0.08 molL1，则下列 判断不合理的是( ) c1c213 平衡时，Y 和 Z 的生成速率之比 23 X 和 Y 的转化率不相等 c1的取值范围为 0c10，反应又是可逆的，故正确。 12.将等物质的量的氢气和碘蒸气放入密闭容器中进行反应： H2(g)I2(g)2HI(g)(正反应放热)，反应经过 5 分钟测得碘化氢的浓度为 0.5 molL1，碘蒸气的浓度为 0.25 molL1。请填写以下空白： (1)v(HI)_；v(H2)_；氢气的起始浓度_。 (2)若上述反应达到平衡时，则平衡浓度 c(HI)、c(I2)、c(H2)的关系是_(填“相等”、“211”或“均为恒量”)。 答案 (1)0.1 molL1min1 0.05 molL1min1 0.5 molL1 (2)均为恒量 13.在一定温度下，发生如下反应：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_。 答案 (1)60% (2)27.3% 解析 N2 3H2 2NH3 起始 3.0 mol 6.0 mol 0 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3.6 mol6.0 mol100%60%。 (2)N2的体积分数1.8 mol1.82.42.4 mol100%27.3%。 14.已知：工业上合成氨：N23H22NH3的反应为可逆反应； 铁触媒是合成氨反应的催化剂，能同等程度的加快合成氨的正、逆反应速率，但不能改变合成氨反应的限度； 在一定条件下进行的合成氨反应的速率随反应时间变化的曲线如图所示。 (1)上述合成氨反应进行到什么时刻达到反应限度？ (2)t3时，向反应混合物中加入了铁触媒，请你在图中画出 t3后的速率随反应时间变化的曲线图。 答案 (1)反应进行到 t2时刻达到反应限度 (2) 拓展探究 15.一定温度下，在容积为 V L 的密闭容器中进行反应：aN(g)bM(g)(ab)，M、N 的物质的量随时间的变化曲线如图所示： (1)t1到 t2时刻，以 M 的浓度变化表示的平均反应速率为_。 (2)此反应在该条件下达到限度时，反应物的转化率为_。 (3)下列叙述中能说明上述反应达到平衡状态的是_。 A.反应中 M 与 N 的物质的量之比为 11 B.混合气体的总质量不随时间的变化而变化 C.混合气体的总物质的量不随时间的变化而变化 D.单位时间内消耗 a mol N，同时生成 b mol M E.混合气体的压强不随时间的变化而变化 F.N 的转化率达到最大，且保持不变 答案 (1)1Vt2t1 molL1min1 (2)75% (3)CEF 解析 (1)v(M)4 mol3 molV Lt2t1min1Vt2t1 molL1min1。 (2)开始时反应物 N 为 8 mol，达到限度时 N 为 2 mol，故其转化率为8 mol2 mol8 mol100%75%。 (3)因为 ab，所以当混合气体总物质的量不随时间的变化而变化、容器内气体压强不变时，均可判断反应达到平衡状态，F 中反应物的转化率达最大且保持不变，意味着各组分浓度不再改变。