内容正文:
第2课时 化学反应的限度(基础课)
素养
目标
1.通过对“可逆反应是如何进行的”这一问题的讨论,发展“证据推理与模型认知”和“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。
2.能认识物质是运动和变化的,知道化学变化需要一定条件,并遵循一定规律,形成“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。
旧知
回顾
1.可逆反应:在相同条件下能同时向正、反两个方向进行的反应。
在可逆反应的化学方程式中用“⥫⥬”代替“===”。
2.几种常见可逆反应的化学方程式。
一、可逆反应
1.实验探究
实验内容
向2 mL 0.01 mol·L-1 KI溶液中加入1 mL 0.01 mol·L-1 FeCl3溶液,再加入几滴0.1 mol·L-1 KSCN溶液
实验现象
溶液变为红色
理论解释
反应后溶液中仍然有Fe3+
反应特点
反应进行不彻底,反应物与产物共存
表示方法
2Fe3++2I-⥫⥬2Fe2++I2
2.可逆反应
可逆反应是指在相同条件下同时向正、逆两个方向进行的化学反应。其特点是反应物与产物共存,反应进行不彻底。
(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O与CO2+H2O+Na2CO3===2NaHCO3,上述两个过程属于可逆反应。 ( )
(2)可逆反应是指在相同条件下同时向正、逆两个方向进行的化学反应。 ( )
(3)增加O2的量可使SO2全部转化为SO3。 ( )
[答案] (1)× (2)√ (3)×
二、化学平衡
1.化学平衡状态
(1)化学平衡状态的建立
①建立过程
②化学平衡建立过程的图像
(2)化学平衡状态
在一定条件下可逆反应进行到一定程度时,反应物和生成物的浓度不再随时间的延长而发生变化,正反应速率和逆反应速率相等,这种状态称为化学平衡状态。
2.化学平衡移动
(1)实验探究
实验
原理
2NO2(g)反应放热
(红棕色(无色)
实验
现象
热水中混合气体颜色较常温下的深,冷水中混合气体颜色较常温下的浅
解释与
结论
升高温度平衡向吸热反应方向移动,降低温度平衡向放热反应方向移动
(2)影响化学平衡移动的因素
①影响因素有浓度、温度、压强等。
②同一可逆反应在不同条件下将建立起不同的化学平衡状态。
(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)可以通过延长化学反应的时间来改变反应的限度。 ( )
(2)一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度。
( )
(3)当一个可逆反应达到平衡时,正、逆反应速率都为零。 ( )
(4)反应2SO2+O2⥫⥬2SO3达到平衡后,再向反应容器中充入含18O的氧气,经过一段时间后,18O原子存在于O2、SO2和SO3中。 ( )
[答案] (1)× (2)√ (3)× (4)√
化学平衡状态的特征
如图是可逆反应X2+3Y2⥫⥬2Z2在反应过程中反应速率(v)与时间(t)的关系曲线。
1.t1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?
提示:t1时,反应未达到平衡状态,正反应速率大于逆反应速率;t2时,反应已经达到平衡状态,此时v(正)=v(逆)。
2.t2~t3时间段反应是否停止了?各物质的浓度还发生变化吗?
提示:t2~t3时间段反应已经处于平衡状态,正反应速率等于逆反应速率,正、逆反应仍在进行;各物质的浓度不再随时间的变化而变化。
3.可逆反应达到化学平衡时,各物质的浓度相等吗?
提示:不一定,达到平衡后各物质的浓度保持不变。
化学平衡状态的特征
1.下列关于化学平衡的说法中,不正确的是( )
A.当可逆反应达到平衡时,正、逆反应速率都为零
B.当可逆反应达到化学平衡时,正、逆反应速率一定相等
C.当可逆反应达到化学平衡后,改变某些条件可以破坏平衡
D.当可逆反应达到平衡时,尽管正、逆反应都还在进行,但各物质的浓度保持不变
A [可逆反应达到平衡时,v(正)=v(逆)≠0。]
2.(双选)在一密闭容器中进行反应2SO2(g)+O2(g)⥫⥬2SO3(g),已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.6 mol·L-1、0.3 mol·L-1、0.6 mol·L-1,当反应正、逆反应速率相等时,可能存在的状态是( )
A.SO2为1.2 mol·L-1、O2为0.6 mol·L-1
B.SO2为0.75 mol·L-1
C.SO2、SO3均为0.45 mol·L-1
D.SO3为1.0 mol·L-1
BD [由题意可知若SO3全部转化为SO2和O2,则SO2、O2的浓度分别为1.2 mol·L-1、0.6 mol·L-1;若SO2和O2全部化合成SO3,则SO3的浓度为1.2 mol·L-1。因为该反应是可逆反应,三种物质必须同时存在(即可逆反应中的物质均不可能100%转化),则体系中SO3、SO2、O2的浓度范围分别是0~1.2 mol·L-1、0~1.2 mol·L-1、0~0.6 mol·L-1,很显然,A不可能、D可能;根据硫原子守恒,C项表示SO2和SO3同时减少,这是绝对不可能的。]
[教材 交流研讨]
对于可逆反应,2SO2+O22SO3,在一定温度下,将2a mol SO2(g)和a mol O2(g)通入一定体积的密闭容器中,其反应速率与时间关系如图所示。
(1)反应开始时,v正最大,v逆=0,原因是什么?
(2)反应进行中,正、逆反应速率如何变化,原因是什么?
(3)在t1时刻后,v′正和v′逆有何关系?SO2、O2、SO3的浓度如何变化?
(4)当SO2、O2、SO3浓度之比为2∶1∶2时,该反应一定达到化学平衡状态了吗?
[答案] (1)反应开始时,反应物SO2和O2浓度最大,故v正最大,生成物SO3浓度为0,故v逆=0
(2)随着反应进行,SO2和O2浓度逐渐减小,SO3浓度逐渐增大,所以v正逐渐减小,v逆逐渐增大
(3)在t1时刻后,v′正和v′逆相等,反应体系中的SO2、O2、SO3的浓度保持不变
(4)不一定,只有当v′正=v′逆,反应物及生成物各组分的浓度不再变化时,才达到化学平衡状态
化学平衡的判断
1909年,德国化学家哈伯确定了氮气和氢气的混合气体在高温、高压及催化剂的作用下可以合成氨。但什么样的高温和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。经过几千次的实验和计算,哈伯终于取得了喜人的成果,那就是在550 ℃、20 MPa和锇为催化剂的条件下,氨的产率约为6.25%。
1.工业合成氨反应中,哪些数据能说明反应达到了平衡?
提示:正、逆反应速率相等,各组分的浓度、百分含量不变等。
2.在密闭容器中进行反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),当N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2时能否说明该反应达到化学平衡状态?
提示:不能。因为不能说明各组分的浓度一定不变,也不能说明该反应的正、逆反应速率相等。
3.对于在容积固定的密闭容器中进行的反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),当压强恒定时,一定达到平衡吗?密度恒定时呢?
提示:压强恒定时,反应一定达到平衡,因为压强恒定,说明各气体的物质的量恒定;但密度恒定时,不一定达到平衡,因为气体的总质量不变,容积不变,密度在任何时刻都不变。
化学平衡状态的判断依据
1.动态标志:v正=v逆≠0
(1)同种物质:同一物质的生成速率等于其消耗速率。
(2)不同物质:必须用体现“异向”关系的反应速率(v正与v逆)判断,若不同物质的反应速率之比等于其系数之比,则反应达到平衡状态。如aA(g)+bB(g)⥫⥬cC(g)+dD(g),当时,反应达到平衡状态。
2.静态标志:各种“量”不变
(1)各物质的质量、物质的量等不变。
(2)各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数等)不变。
(3)温度(绝热体系)、压强(反应前后气体体积不相等)、密度(反应前后不全是气体)、颜色(某组分有颜色)或平均摩尔质量不变。
1.可逆反应2NO2(g)⥫⥬N2O4(g)在体积不变的密闭容器中进行,反应达到平衡状态的标志是( )
①单位时间内生成n mol N2O4的同时生成2n mol NO2
②单位时间内消耗n mol N2O4的同时生成2n mol NO2
③混合气体的平均相对分子质量不再改变
④混合气体的颜色不再改变
⑤用NO2、N2O4的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为2∶1
A.①④⑤ B.②⑤
C.①③④ D.①②③④⑤
C [①单位时间内生成n mol N2O4的同时生成2n mol NO2,正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态;②无论反应是否达到平衡状态都存在单位时间内消耗n mol N2O4的同时生成2n mol NO2;③反
应前后气体总质量不变、物质的量减小,则混合气体平均摩尔质量增大,当混合气体的平均相对分子质量不再改变时,说明各物质的物质的量不变,反应达到平衡状态;④混合气体的颜色不再改变时,二氧化氮浓度不变,反应达到平衡状态;⑤没有说明正、逆反应速率,不能判断反应是否达到平衡。故选C。]
2.在一定温度下的某容积不变的密闭容器中,建立下列化学平衡:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)。不能确定上述可逆反应在一定条件下已达到化学平衡状态的是( )
A.体系的压强不再发生变化
B.v正(CO)=v逆(H2O)
C.生成n mol CO的同时生成n mol H2
D.反应体系的密度不再改变
C [反应无论达到平衡,还是未达到平衡,生成n mol CO的同时都会生成n mol H2。]
“变量不变”:如果一个量是随反应进行而改变的(即变量),当其“不变”时反应就达到平衡状态,即“变量不变”→平衡状态。
1.下列反应不属于可逆反应的是( )
A.二氧化硫溶于水
B.氨溶于水
C.水电解生成H2和O2与H2在O2中燃烧生成H2O
D.工业合成氨
C [水电解生成H2和O2,条件是通电,H2在O2中燃烧生成水的反应条件为点燃,两者反应条件不一样,不属于可逆反应,故C符合题意。]
2.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
C [反应限度主要取决于反应的本身;温度可使化学平衡移动;延长时间不可以改变反应的限度;达平衡时,v正=v逆≠0。]
3.向5 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液中滴加5~6滴 FeCl3溶液后,再进行下列实验,其中可证明FeCl3溶液和KI溶液的反应是可逆反应的实验是( )
A.滴加AgNO3溶液,观察是否有AgI沉淀产生
B.加入CCl4振荡、静置后,观察下层液体颜色
C.加入CCl4振荡、静置后,取上层清液,滴加溶液,观察是否有AgCl沉淀产生
D.加入CCl4振荡、静置后,取上层清液,滴加KSCN溶液,观察溶液是否变为红色
D [因反应中I-过量,滴加AgNO3溶液,有AgI沉淀产生,A项不符合题意;下层液体呈紫红色,只能说明Fe3+与I-反应生成了Fe2+和I2,不能说明该反应为可逆反应,B项不符合题意;Cl-未参与反应,C项不符合题意;向上层清液中加KSCN溶液,溶液显红色,证明有Fe3+存在,因反应中I-过量,故可以证明该反应为可逆反应,D项符合题意。]
4.(双选)对于可逆反应4NH3(g)+5O2(g)⥫⥬4NO(g)+6H2O(g),下列叙述中正确的是( )
A.达到化学平衡前,化学反应速率:2v(NH3)=3v(H2O)
B.若单位时间内生成x mol NO,同时消耗x mol NH3,则反应达到化学平衡状态
C.达到化学平衡状态时,若增大容器体积,则正、逆反应速率都减小
D.达到化学平衡状态时,4v正(O2)=5v逆(NO)
CD [反应速率之比等于系数之比,则3v正(NH3)=2v正(H2O),A项错误;无论是否达到平衡状态,反应速率之比都等于系数之比,即单位时间内生成x mol NO的同时,消耗x mol NH3,但不能说明正、逆反应速率相等,B项错误;达到化学平衡时,若增加容器体积,容器的压强减小,物质的浓度减小,正、逆反应速率都减小,C项正确;反应达到平衡状态时,正、逆反应速率相等,4v正(O2)=5v逆(NO),说明消耗氧气的速率和生成氧气的速率相等,D项正确。]
课时分层作业(十二) 化学反应的限度
(选择题只有一个选项符合题目要求)
1.假设某化学反应的反应过程如图所示,观察分析,符合图中变化的化学反应为( )
A.A2+3B2⥫⥬2AB3
B.2AB2+B2⥫⥬2AB3
C.2A2B+5B2===4AB3
D.2AB2+B2===2AB3
B [由题图可知反应物用AB2、B2表示,生成物用AB3表示,反应后反应物与生成物共存,说明反应为可逆反应,结合反应前后原子守恒可知反应化学方程式为2AB2+B2⥫⥬2AB3,B项符合题意。]
2.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
D [正反应为放热反应,升高温度,化学平衡向逆反应方向移动,体系中NO2的浓度增大,即NO2的含量增大,NO2的转化率减小,混合物的颜色加深。由于化学平衡向逆反应方向移动,则体系中气体的总物质的量增大,而气体的总质量不变,根据知,气体的平均相对分子质量减小。]
3.一定温度下,在某容器中进行如下可逆反应,当混合气体的平均摩尔质量不再改变时,能说明反应达到平衡状态的是( )
①恒容时发生反应:A(g)+B(g)⥫⥬3C(g)
②恒压时发生反应:A(g)+B(g)⥫⥬2C(g)
③恒容时发生反应:A(g)+2B(g)⥫⥬2C(g)+D(g)
④恒压时发生反应:A(g)+2B(g)⥫⥬3C(g)+D(s)
A.②③ B.①④
C.①③ D.②④
B [恒容时发生反应A(g)+B(g)⥫⥬3C(g),气体的总质量始终不变,反应前后气体总物质的量发生变化,当气体的平均摩尔质量不再改变时,能说明反应达到平衡状态,①正确;恒压时发生反应A(g)+B(g)⥫⥬2C(g),混合气体的总质量和总物质的量均不变,平均摩尔质量不再改变不能说明反应达到平衡状态,②错误;恒容时发生反应A(g)+2B(g)⥫⥬2C(g)+D(g),混合气体的总质量和总物质的量始终不变,平均摩尔质量始终不变,不能说明反应达到平衡状态,③错误;恒压时发生反应A(g)+2B(g)⥫⥬3C(g)+D(s),反应前后混合气体的总质量发生变化,混合气体的总物质的量一定,气体的平均摩尔质量不再改变时,能说明反应达到平衡状态,④正确。故B项正确。]
4.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.3H2(g)+N2(g) 2NH3(g),反应体系中H2与N2的物质的量之比保持3∶1
D [A项,颜色的深浅与浓度有关,恒温、恒容下,反应体系中气体的颜色保持不变,说明Br2(g)的浓度不再发生变化,反应达到平衡状态,正确;B项,正反应是体积减小的反应,则恒温、恒容下,反应体系中气体的压强保持不变可以说明反应达到平衡状态,正确;C项,密度是气体的质量与容器容积的比值,气体质量是变化的,则恒温、恒容下,反应体系中气体的密度保持不变可以说明反应达到平衡状态,正确;D项,反应体系中H2与N2的物质的量之比保持3∶1不能说明到达平衡状态,因为初始量未知,错误。]
5.用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应如下:
3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g)Si3N4(s)+12HCl(g),一定条件下,在密闭恒容的容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是( )
A.3v逆(N2)=v逆(H2)
B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)
C.混合气体密度保持不变
D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
C [A项、B项都表示同一反应方向,无论反应是否平衡,都成立,故无法判断反应是否达到化学平衡状态;C项,因为反应在密闭恒容的容器中进行,反应达到化学平衡状态时,各组成成分的质量不再发生变化,又Si3N4是固体,所以混合气体密度保持不变,可以作为判断达到化学平衡状态的标志。]
6.在2 L密闭容器中,800 ℃时反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)体系中,n(NO)随时间的变化如下表:
时间/s
0
1
2
3
4
5
nNO/mol
0.020
0.010
0.008
0.007
0.007
0.007
(1)上述反应________(填“是”或“不是”)可逆反应。
(2)如图所示,表示NO2变化曲线的是________。用O2表示从0~2 s内该反应的平均速率v=______。
(3)能说明该反应已达到平衡状态的是________(填序号)。
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)该反应是可逆反应。
(2)由平衡体系2NO(g)+O2(g)2NO2(g)知,NO2为生成物,平衡时n(NO2)=Δn(NO)=0.020 mol-0.007 mol=0.013 mol,c(NO2)=,故表示NO2变化曲线的是b。0~2 s内,v(NO)==0.003 mol·L-1·s-1,则v(O2)=v(NO)=0.001 5 mol·L-1·s-1。(3)A项中未指明正、逆反应速率,故无法说明该反应是否达到平衡状态;由于该反应是反应前后气体体积不相等的反应,当容器内压强保持不变时,说明该反应已达到平衡状态,故B项正确;C项中说明正、逆反应速率相等,说明该反应已达到平衡状态;由于气体总质量不变,气体总体积也不变,因此,无论该反应是否达到平衡,容器内密度都保持不变,故D项无法说明该反应是否达到平衡状态。
[答案] (1)是 (2)b 0.001 5 mol·L-1·s-1 (3)BC
(选择题有一个或两个选项符合题目要求)
7.在373 K时,密闭容器中充入一定量的NO2和SO2,发生如下反应:NO2(g)+SO2(g)⥫⥬NO(g)+SO3(g),平衡时,下列叙述正确的是( )
A.NO和SO3的物质的量一定相等
B.NO2和SO2的物质的量一定相等
C.体系中的总物质的量一定等于反应开始时总物质的量
D.SO2、NO2、NO、SO3的物质的量一定相等
AC [A项,充入的是NO2和SO2,又NO和SO3的系数之比为1∶1,其物质的量一定相等,正确;B项,充入NO2、SO2的量不知道,平衡时不一定相等,错误;C项,反应前后系数之和相等,则总物质的量保持不变,正确;D项,充入SO2、NO2的量不确定,则平衡时反应物和生成物的物质的量不一定相等,错误。]
8.在一定温度下,容器内某一反应aN⥫⥬bM的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示,下列表述正确的是( )
A.a∶b=1∶2
B.t2 min时,正反应速率大于逆反应速率
C.t3 min时,正、逆反应速率相等,达到平衡
D.t1 min时,v(N)= mol·L-1·min-1
BC [由图像可知,反应中M的物质的量逐渐增多,N的物质的量逐渐减少,则在反应中N为反应物,M为生成物,根据图像,在相等的时间内消耗的N和M的物质的量之比为a∶b=2∶1,选项A错误;由图可知t2 min时,反应没有达到平衡,此时正反应速率大于逆反应速率,选项B正确;由图可知t3 min时,反应达到平衡,正、逆反应速率相等,选项C正确;容器的容积未知,则v(N)无法计算,选项D错误。]
9.在1 L恒温恒容的密闭容器中投入一定量N2O5,发生反应:
反应1:N2O5(g)===N2O4(g)+O2(g)
反应2:N2O4(g)⥫⥬2NO2(g)
现有下列情况:①混合气体的密度保持不变;②气体压强保持不变;③气体的平均摩尔质量保持不变;④保持不变;⑤O2的物质的量保持不变;⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2)=1∶2。能表明反应2一定达到平衡状态的是( )
A.①②③⑤ B.②③④⑥
C.①③⑤⑥ D.②③④⑤
B [①反应中各物质均为气体,混合气体的总质量不变,且反应在恒容条件下进行,则混合气体的密度始终不变,故不能判断是否达到平衡;②反应2的平衡建立过程中,气体总物质的量不断变化,则气体压强不断变化,当气体压强保持不变时,反应2达到平衡状态;③平衡建立过程中,混合气体的总质量不变,但其总物质的量不断变化,故当气体的平均摩尔质量保持不变时,反应2达到平衡状态;④保持不变,则c(NO2)、c(N2O4)均保持不变,反应2达到平衡状态;⑤反应1是不可逆反应,O2的物质的量始终保持不变,不能据此判断反应2是否达到平衡;⑥v正(N2O4)∶v逆(NO2)=1∶2,正、逆反应速率相等,反应2达到平衡状态。]
10.在恒温恒容的密闭容器中,当下列物理量不再发生变化时:①混合气体的压强;②混合气体的密度;③混合气体的总物质的量;④混合气体的平均相对分子质量;⑤混合气体的颜色;⑥各反应物或生成物的反应速率之比等于系数之比。
(1)一定能证明2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)达到平衡状态的是________(填序号,下同)。
(2)一定能证明I2(g)+H2(g)2HI(g)达到平衡状态的是________。
[解析] 混合气体的密度是混合气体的总质量与容器容积的比值,混合气体的平均相对分子质量是混合气体的总质量与总物质的量的比值,混合气体颜色的深浅与有色气体的浓度有关系。在任何时刻各反应物或生成物的反应速率之比等于系数之比,则(1)反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)是反应前后气体体积减小的可逆反应,因此混合气体的压强、混合气体的总物质的量和混合气体的平均相对分子质量不变均可以说明反应达到平衡状态。(2)反应I2(g)+H2(g)2HI(g)是反应前后气体体积不变的可逆反应,由于碘蒸气是有色气体,则混合气体的颜色不变可以说明反应达到平衡状态。
[答案] (1)①③④ (2)⑤
11.甲醇(CH3OH)可作为新型汽车动力燃料,如图是甲醇在工业上的制备过程:
―→―→―→―→
请回答下列问题:
(1)在一定条件下反应室Ⅰ中发生反应:
CH4(g)+H2O(g)⥫⥬CO(g)+3H2(g)。将1 mol CH4和2 mol H2O通入反应室Ⅰ(设反应室容积为10 L),10 min末有0.1 mol CO生成,则10 min内反应的平均速率v(H2)=________ mol·L-1·min-1。
(2)在容积不变的条件下,不能说明反应室Ⅰ中的反应已达到平衡状态的是________(填字母)。
a.CO的物质的量不再改变
b.容器内的压强保持不变
c.CH4的消耗速率与生成速率相等
d.容器内的密度保持不变
(3)在容积为1 L的反应室Ⅱ中充入1 mol CO与2 mol H2,在催化剂作用下反应生成甲醇:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),当反应达平衡时,CO的转化率为80%,则平衡前后的压强之比为________(最简整数比)。
[答案] (1)0.003 (2)d (3)15∶7
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