第6章 第2节 新知探究课10 化学反应的限度 化学反应条件的控制-【名师导航】2023-2024学年高中化学必修第二册同步讲义(人教版2019)

新知探究课10　化学反应的限度　化学反应条件的控制 1．了解可逆反应的含义和反应限度及化学平衡的特征，了解达到平衡的标志。培养“变化观念与平衡思想”的核心素养。 2．了解化学反应条件的控制及在生产和科技研究中的作用。培养“科学探究与社会责任”的核心素养。 一、化学反应的限度 1．可逆反应 (1)定义：在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应。在可逆反应中，用“⥫⥬”连接。 (2)特点： ①相同条件下，正、逆反应同时进行。 ②不能完全转化，反应物和生成物同时存在，任一反应物的转化率均小于100%。 2．化学平衡状态的建立 (1)过程 (2)图示 3．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。 4．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最大程度。 (2)任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度。 (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状态。 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)2H2＋O22H2O与2H2O2H2↑＋O2↑互为可逆反应。 (　　) (2)可逆反应达到平衡时，v正＝v逆，各组分浓度相等。 (　　) (3)可逆反应达到平衡时，反应停止，各组分浓度不变。 (　　) (4)通过改变反应条件，可以使2 mol SO2(g)和过量的O2(g)反应得到2 mol SO3。 (　　) [答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)× 二、化学反应条件的控制 1．化学反应条件控制的目的 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成本和实际可能性。 (2)实例——合成氨生产条件的选择： 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)压强越大，合成氨的生产效率越高，所以应尽可能选择高压条件。 (　　) (2)化石燃料在燃烧过程中能产生污染环境的CO、SO2等有害气体。 (　　) (3)在工业生产实际中，反应速率越快越好。 (　　) [答案]　(1)×　(2)√　(3)× 化学反应的限度理解及判断 德国化学家哈伯(F.Haber，1868—1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨，于1909年改进了合成工艺，氨的产率达到8%。合成氨反应的化学方程式：N2＋3H22NH3。 1．一定条件下，向容积不变的密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2发生合成氨的反应，反应过程中正、逆反应速率如何变化？正、逆反应速率达到何种关系时反应达到平衡状态？ 提示：反应过程中，正反应速率开始最大，后逐渐减小，逆反应速率开始为0，后逐渐增大；当用同种物质表示的正、逆反应速率相等时，反应达到平衡状态。 2．一定条件下，密闭容器中进行合成氨的反应，当1个N≡N断裂的同时，有6个N—H形成，此时反应是否处于平衡状态？当反应达平衡后，反应是否停止？ 提示：不能判断反应是否处于平衡状态，因为1个N≡N断裂和6个N—H形成均指正反应方向，反应过程中的任何时刻均存在上述关系。当反应达到平衡状态后，反应并没有停止，此时v正＝v逆≠0。 3．一定条件下，在容积不变的密闭容器中进行合成氨的反应，当容器中压强不变时，反应是否处于平衡状态？当容器中气体的密度不变时，反应是否处于平衡状态？ 提示：由于合成氨的反应是气体物质的量减小的反应，故容器内气体的压强会逐渐减小，当压强不变时，说明反应处于平衡状态。容器容积不变，容器中气体的密度ρ＝，因反应物、生成物均为气体，故气体的质量不变，则气体的密度在反应过程中保持不变，因此，不能判断反应是否处于平衡状态。 1．化学平衡状态的特征 2．化学平衡状态的判断标志 (1)直接标志——“正逆相等” ①v正＝v逆 a．同一种物质的生成速率等于消耗速率； b．在化学方程式同一边的不同物质的生成速率与消耗速率之比等于化学计量数之比； c．在化学方程式两边的不同物质的生成(或消耗)速率之比等于化学计量数之比。 ②各组分的浓度保持一定 a．各组分的浓度不随时间的改变而改变； b．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。 (2)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对同一物质而言，断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。 1．在一密闭容器中，N2＋3H2⥫⥬2NH3反应达到平衡后，下列说法中正确的是(　　) A．N2与H2不再化合，NH3不再分解 B．单位时间内，消耗1 mol N2的同时消耗3 mol H2 C．容器内的总压强不随时间而变化 D．N2、H2、NH3的物质的量浓度相等 C　[合成氨反应属于可逆反应，不可能出现N2与H2不再化合、NH3不再分解的情况，A不正确；单位时间内，消耗1 mol N2的同时消耗3 mol H2，反应进行的方向相同，不一定达平衡状态，B不正确；反应前后气体的分子数不相等，达平衡前，容器内压强在不断改变，当容器内的总压强不随时间而变化时，反应达平衡状态，C正确；N2、H2、NH3的物质的量浓度相等，可能是反应进行过程中的某个阶段，不一定是平衡状态，D不正确。] 2．在一绝热(不与外界发生热交换)的恒容容器中，发生放热反应2A(g)＋B(s)⥫⥬C(g)＋D(g)，下列描述中不能说明反应已达到平衡状态的是(　　) A．容器内温度不变 B．混合气体的密度不变 C．混合气体的平均相对分子质量不变 D．单位时间内生成n mol D，同时消耗2n mol A D　[反应容器绝热，容器内温度不变，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，不选A；B为固体，混合气体的密度不变，说明气体的质量不变，能够说明反应达到平衡状态，不选B；B为固体，混合气体的平均相对分子质量不变，说明气体的质量不变，能够说明反应达到平衡状态，不选C；根据化学方程式，只要反应发生，就存在单位时间内生成n mol D，同时消耗2n mol A，所以不能说明反应达到平衡状态，选D。] 3．CO和H2在一定条件下可以合成乙醇(CH3CH2OH)：2CO(g)＋4H2(g)⥫⥬CH3CH2OH(g)＋H2O(g)，下列叙述中能说明上述反应在一定条件下已达到平衡状态的是(　　) A．CO全部转化为乙醇 B．反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化 C．正反应和逆反应的化学反应速率均为零 D．CO和H2以1∶2的物质的量之比反应生成乙醇 B　[该反应为可逆反应，CO不可能全部转化为乙醇，A项错误；反应体系中乙醇的物质的量浓度不再发生变化，说明正反应速率与逆反应速率相等，反应达到平衡状态，B项正确；化学平衡状态是动态平衡，所以平衡时正反应速率和逆反应速率不等于零，C项错误；CO和H2以1∶2的物质的量之比反应生成乙醇，并不能确定正反应速率与逆反应速率相等，不能证明反应达到平衡状态，D项错误。] 1．熟记可逆反应达到平衡状态的五字特征：逆、等、动、定、变。 2．理解判断化学平衡状态的方法——“正逆相等，变量不变”。 3．注意平衡状态判断的4种特殊情况。 1．在一定条件下，对于密闭容器中进行的反应2SO2(g)＋O2(g)⥫⥬2SO3(g)，下列说法中，能充分说明该反应已经达到化学平衡状态的是(　　) A．反应混合物中SO2、O2、SO3的物质的量之比为2∶1∶2 B．消耗SO2的速率与生成SO3的速率相等 C．反应混合物中SO2、O2、SO3的百分组成不再改变 D．生成O2的速率与生成SO3的速率相等 C　[A项物质的量之比为2∶1∶2不能说明反应达到平衡状态，B项同向速率相等不能说明达到平衡，D项后者应该是前者的2倍。] 2．恒温恒容条件下，发生化学反应H2(g)＋I2(g)⥫⥬2HI(g)，下列选项中不能作为达到平衡状态的标志的是(　　) A．混合气体颜色不再变化 B．单位时间内形成n mol H—H的同时断裂2n mol H—I C．若该反应在隔热密闭体积恒定的容器中进行反应，体系的温度不再变化 D．2v(H2)正＝v(HI)逆 B　[碘蒸气有颜色，其余均为无色气体，因此当混合气体颜色不再改变时，说明反应达到平衡状态，A不符合题意；单位时间内形成H—H，反应向逆反应方向进行，断裂H—I，反应也是向逆反应方向进行，因此单位时间内形成n mol H—H的同时断裂2n mol H—I，不能说明反应达到平衡状态，B符合题意；该反应为放热反应，如果容器为隔热密闭，随着反应进行，容器内气体温度升高，当体系温度不再改变，说明反应达到平衡状态，C不符合题意；利用不同物质的反应速率表示反应达到平衡状态，要求反应方向是一正一逆，且反应速率之比等于化学计量数之比，因此2v(H2)正＝v(HI)逆，能够说明反应达到平衡状态，D不符合题意。] 3．在体积为1 L的密闭容器中，充入1 mol CO2和3 mol H2，一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)，测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图所示。 (1)从3 min到9 min，v(H2)＝________mol·L-1·min-1。 (2)能说明上述反应达到平衡状态的是________(填编号)。 A．反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1(即图中交叉点) B．混合气体的密度不随时间的变化而变化 C．单位时间内消耗3 mol H2，同时生成1 mol H2O D．CO2的体积分数在混合气体中保持不变 (3)平衡时CO2的转化率为________。 (4)平衡时混合气体中CH3OH(g)的体积分数是________。 (5)一定温度下，第9分钟时v逆(CH3OH)________(填“大于”“小于”或“等于”)第3分钟时v正(CH3OH)。 [解析]　(1)3 min到9 min, CO2浓度变化为1 mol·L-1－0.25 mol·L -1 ＝0.75 mol·L － 1，CO2的反应速率：＝ mol·L-1·min-1；则v(H2)＝3v(CO2)＝ 0.375 mol·L-1·min-1；(2)反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1(即图中交叉点), 浓度相等而不是不变，A错误；反应前后，气体质量不变，容器体积不变，则气体密度始终不变，不能判断是否平衡，B错误；单位时间内每消耗3 mol H2，同时生成1 mol H2O，从反应开始到平衡始终按这个比例进行，不一定平衡，C错误；CO2的体积分数在混合气体中保持不变，说明正逆反应速率相等，达平衡状态，D正确。(3)由图像可知，平衡时CO2的浓度为0.25 mol·L-1，可知消耗CO2 0.75 mol·L-1，则转化率为×100%＝75%。(4)根据题意得三段式： 　　　　　　 CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g) 起始/(mol·L-1) 1 3 0 0 转化/(mol·L-1) 0.75 2.25 0.75 0.75 平衡/(mol·L-1) 0.25 0.75 0.75 0.75 平衡时混合气体中CH3OH(g)的体积分数是×100%＝30%。(5)第9分钟时达到平衡，v逆(CH3OH)＝v正(CH3OH)，随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，则第9分钟时v逆(CH3OH)小于第3分钟时v正(CH3OH)。 [答案]　(1)0.375　(2)D　(3)75%　(4)30%　(5)小于 新知探究课固基练(十)　化学反应的限度　化学反应条件的控制 1．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 B　[正、逆两方向的反应条件相同且同时进行时属于可逆反应。A条件不一样，错误；C、D反应物、生成物不一样，错误。] 2．下列反应条件的控制中不恰当的是(　　) A．为防止铁生锈，在其表面涂一层防锈油漆 B．为防止火灾，在面粉厂、加油站等场所要严禁烟火 C．为加快KClO3的分解速率，加入MnO2 D．为加快H2O2的分解速率，把反应容器放到冷水中冷却 D　[在铁制品表面涂一层防锈油漆，可减少其与空气的接触，从而防止铁生锈，A正确；面粉颗粒、汽油等都是易燃物质，为防止火灾，在面粉厂、加油站等场所要严禁烟火，B正确；KClO3在有催化剂时会快速分解产生O2，所以为加快KClO3的分解速率，加入催化剂MnO2，C正确；H2O2在温度较高时容易发生分解反应，所以为加快H2O2的分解速率，应把反应容器放到温水中加热，D错误。] 3．下列有关化学反应速率和限度的说法中，不正确的是(　　) A．实验室用H2O2分解制O2，加入MnO2作催化剂后，反应速率明显加快 B．2SO2＋O22SO3反应中，SO2的转化率能达到100% C．日常生活中用冰箱冷藏食物可降低食物变质的反应速率 D．可逆反应在一定条件下达到化学反应限度时，正反应速率和逆反应速率相等 B　[MnO2是H2O2分解的催化剂，所以实验室用H2O2分解制O2时，加MnO2作催化剂后，反应速率明显加快，A选项正确；SO2转化为SO3的反应是可逆反应，因此任何情况下SO2的转化率不能达到100%，B选项错误；降低温度，活化分子数减少，反应速率减小，故日常生活中用冰箱冷藏食物可降低食物变质的反应速率，C选项正确；可逆反应在一定条件下达到化学反应限度时，即为化学平衡状态，此时正、逆反应速率相等但不为0，D选项正确。] 4．对可逆反应4NH3＋5O2⥫⥬4NO＋6H2O，下列叙述正确的是(　　) A．化学反应速率关系是2v(NH3)＝3v(H2O) B．若单位时间内生成x mol NO的同时，消耗x mol NH3，则反应达到平衡状态 C．达到化学平衡时，若增大容器体积，则正反应速率减小，逆反应速率增大 D．达到化学平衡时，4v正(O2)＝5v逆(NO) D　[根据速率之比等于化学计量数之比得到化学反应速率关系是3v(NH3)＝2v(H2O)，A错误；若单位时间内生成x mol NO，同时消耗x mol NH3，都是指正反应，不能说明反应达到平衡状态，B错误；达到化学平衡时，若增大容器体积，浓度减小，则正反应速率减小，逆反应速率也减小，C错误；达到化学平衡时，速率之比等于化学计量数之比，4v正(O2)＝5v逆(NO)，D正确。] 5．在一定温度下，向恒容密闭容器中充入一定量的A气体和B气体进行下述反应：A(g)＋B(g)⥫⥬2C(g)＋D(s)。下列表述不能判断该反应达到化学平衡状态的是(　　) A．2v正(A)＝v逆(C) B．容器中混合气体的密度不再变化 C．容器中混合气体总压强不再发生变化 D．容器中混合气体的平均相对分子质量不再变化 C　[2v正(A)＝v逆(C)，说明该反应正、逆反应速率相等，能判断该反应达到化学平衡状态，A正确；该反应中D是固体，反应前后气体总质量发生改变，容器体积不变，所以混合气体的密度是变量，当容器中混合气体的密度不再变化时，能判断该反应达到化学平衡状态，B正确；该反应是气体体积不变的反应，反应前后体系的压强始终不变，不能判断该反应达到化学平衡状态，C错误；混合气体的平均相对分子质量＝，该反应中D是固体，反应前后气体总质量发生改变，该反应是气体体积不变的反应，反应前后混合气体的总物质的量不变，所以混合气体的平均相对分子质量是变量，当混合气体的平均相对分子质量不再变化时，能判断该反应达到化学平衡状态，D正确。] 6．在2 L密闭容器内，800 ℃时反应2NO(g)＋O2(g)⥫⥬2NO2(g)体系中，n(NO)随时间的变化如表： 时间/s 0 1 2 3 4 5 n(NO)/mol 0.020 0.010 0.008 0.007 0.007 0.007 (1)如图表示NO2的变化的曲线是________。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v＝________。 (2)能说明该反应已达到平衡状态的是________(选填字母，下同)。 a．v(NO2)＝2v(O2) b．容器内压强保持不变 c．v逆(NO)＝2v正(O2) d．容器内密度保持不变 [解析]　(1)NO2的起始浓度为c(NO2)＝0，2 s时c(NO2)可根据图表中n(NO)的变化量求解，Δc(NO)＝Δc(NO2)＝ mol·L-1＝0.006 mol·L-1，故答案选b曲线。由图表可求0～2 s内v(NO)＝ mol·L-1·s-1＝0.003 mol·L-1·s-1，故v(O2)＝1.5×10-3 mol·L-1·s-1。 (2)a.未指明是正反应速率还是逆反应速率，不能作为平衡状态的标志，故a错。b.因该反应为气体体积不等的反应，故压强不变可作为平衡状态的标志。c.由v逆(NO)＝2v正(O2)，可推出v逆(NO)＝v正(NO)，说明已达到平衡状态。d.由于平衡体系中全是气体，容器体积固定，故任意状态下密度不变，故d错。 [答案]　(1)b1.5×10-3 mol·L-1·s-1　(2)bc 7．经过化学家长期研究发现高炉中：Fe2O3(s)＋3CO(g)⥫⥬2Fe(s)＋3CO2(g)是可逆反应。一定温度下，在一体积恒定容器中发生上述反应，下列情况能说明反应达到平衡的是(　　) A．气体平均摩尔质量不变 B．容器内压强不变 C．容器中n(CO)＝n(CO2) D．v(CO)＝v(CO2) A　[气体平均摩尔质量＝，随着正反应的发生，气体的质量变大，但气体的总物质的量不变，故气体的平均摩尔质量是一个变量，当气体平均摩尔质量不变时能说明该反应达到平衡，A符合题意；反应前后气体的分子数不变，故在一定的温度下，体积恒定容器内压强不变，不能说明该反应达到平衡状态，B不符合题意；容器中n(CO)＝n(CO2)不能说明两种气体的浓度不再发生变化，因此不能说明该反应达到平衡，C不符合题意；v(CO)＝v(CO2)不能说明正反应速率等于逆反应速率，故不能说明该反应达到平衡状态，D不符合题意。] 8．一定条件下，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 mol·L-1、0.3 mol·L-1和0.08 mol·L-1，则下列判断不合理的是(　　) A．c1∶c2＝1∶3 B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为3∶2 C．X和Y的转化率不相等 D．c1的取值范围为0＜c1＜0.14 mol·L-1 C　[分析浓度变化关系： 　　　　　　　　X(g)＋3Y(g)⥫⥬2Z(g) c起始/(mol·L-1) c1 c2 c3 c平衡/(mol·L-1) 0.1 0.3 0.08 反应的化学方程式中反应物X与Y的化学计量数之比为1∶3，所以反应中X和Y必然以1∶3消耗，因为达平衡时X和Y浓度之比为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，A正确；平衡时Y和Z的生成速率之比应该和化学方程式中对应化学计量数之比相等，故Y和Z的生成速率之比为3∶2，B正确；由于起始时反应物是按化学方程式中化学计量数之比配料，故X和Y转化率相等，C错误；运用极值法，假设Z完全转化为反应物，c1的极限值为0.14 mol·L-1，而题设c1＞0，反应又是可逆的，D正确。] 9．(素养题)合成氨的反应对人类解决粮食问题贡献巨大，反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。 (1)德国化学家F·Haber利用N2和H2在催化剂表面合成氨气而获得诺贝尔奖，该反应的能量变化及微观历程的示意图如图，用、、分别表示N2、H2、NH3。 ①该反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，其原因是反应物化学键断裂吸收的总能量________(填“大于”或“小于”)生成物化学键形成放出的总能量。 ②关于N2和H2在催化剂表面合成氨气的过程，下列说法正确的是________(填序号)。 A．图甲中曲线a表示有催化剂时的能量变化情况 B．催化剂在吸附N2、H2时，催化剂与气体之间的作用力为化学键 C．在图乙②过程中，N2、H2断键形成氮原子和氢原子 D．使用催化剂可以使生成的氨气的量增多 (2)一定温度下，向恒容的密闭容器中充入一定量的N2和H2发生反应，测得各组分浓度随时间变化如图所示。 ①表示c(N2)变化的曲线是________(填“A”“B”或“C”)。 ②0～t0时用H2表示的化学反应速率：v(H2)＝________mol·L-1·min-1。 ③下列能说明该反应达到平衡状态的是________(填序号)。 a．容器中的压强不随时间变化 b．2c(H2)＝3c(NH3) c．容器中混合气体的密度不随时间变化 d．断裂3 mol H—H的同时断裂6 mol N—H [解析]　(1)①由反应过程中的能量变化图可知，该反应为放热反应，其原因是反应物化学键断裂吸收的总能量小于生成物化学键形成放出的总能量；②催化剂能降低反应的活化能，故曲线b表示有催化剂时的能量变化情况，A错误；催化剂在吸附N2、H2时，是物理变化，催化剂与气体之间并没有形成化学键，B错误；由图可知，在图乙②过程中，N2、H2断键形成氮原子和氢原子，C正确；使用催化剂，平衡不移动，不能改变生成物的量，D错误；(2)①C的物质的量浓度增加、A和B的物质的量浓度减小，所以A和B是反应物、C是生成物，物质的量浓度变化值之比等于化学计量数之比，即A、B与C的化学计量数之比为1∶3∶2，则表示c(N2)变化的是曲线A；②0～t0时用H2表示的化学反应速率：v(H2)＝＝＝mol·L-1·min-1；③合成氨反应中，气体的物质的量与压强会随着反应的进行而变化，故容器内压强不随时间变化，说明气体的物质的量不随时间变化，则说明反应已达平衡，a正确；由题图知，平衡时c(H2)＝c(NH3)，而2c(H2)＝3c(NH3)时，该反应没有达到平衡状态，b错误；恒容密闭容器中，气体密度＝，气体质量、容器容积始终不变，故气体密度不变不能说明反应已达到平衡，c错误；断裂3 mol H—H的同时断裂6 mol N—H，即v正(H2)∶v逆(NH3)＝3∶2，不同物质的正反应和逆反应速率之比等于化学计量数之比，则说明反应已达平衡，d正确。 [答案]　(1)①放热　小于　② C　(2)①A　②　③ad 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $$