第6章 第2节 第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版2024）

第2课时　化学反应的限度　化学反应条件的控制 [学习目标] 1.了解可逆反应的含义，知道可逆反应在一定条件下能达到平衡。（宏观辨识与微观探析） 2.能描述化学平衡状态，判断化学反应是否达到平衡状态。（变化观念与平衡思想） 3.能初步解释化学实验和化工生产中反应条件的选择问题。（科学态度与社会责任） （见学生用书P63） 知识点1　化学反应限度 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反应，叫做可逆反应。书写可逆反应的化学方程式时，不用“”，用“”。 （2） 2.化学平衡状态的建立 （1）化学平衡状态的建立 （2）化学平衡建立的过程 3.化学平衡状态 一定条件下的可逆反应中，当反应进行到一定程度时，⑩　正反应速率　与⑪　逆反应速率　相等，反应物的浓度与生成物的浓度都⑫　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。 4.化学反应的限度 （1）化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完成的⑬　最大程度　，即该反应进行的限度。 （2）对化学反应限度的理解 ①化学反应的限度决定了反应物在一定条件下转化为生成物的最大⑭　转化率　。 ②改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的⑮　限度　，亦即改变该反应的⑯　化学平衡状态　。 知识点2　化学反应条件的控制 1.控制反应条件的意义 （1）⑰　促进　有利的化学反应 （2）⑱　抑制　有害的化学反应 2.化工生产中控制反应条件的原则 在化工生产中，为了提高反应进行的程度而调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的⑲　成本　和⑳　实际可能性　。 例如：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH＜0 合成氨的生产在温度越㉑　低　，压强越㉒　大　时，氨的产率越高。但温度低，反应速率小，生产成本高，而压强越大，对动力和生产设备的要求越高。故工业上合成氨通常选择在400～500 ℃、10～30 MPa的条件下进行。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）煤燃烧时，通入的氧气越多越好。 （　×　） （2）通过改变反应条件，可逆反应中反应物的转化率可达100％。 （　×　） （3）相同条件下，不同化学反应的限度可能不同。 （　√　） （4）一定条件，可以通过延长化学反应的时间来改变反应物的最大转化率。 （　×　） （5）正反应进行的程度大，正反应速率一定大。 （　×　） （6）当一个可逆反应达到平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等但不等于零。 （　√　） （1）煤燃烧时，通入适量的氧气，可以使煤的燃烧更加充分，但通入气体过多，会带走大部分热量，降低能源的利用率。 （2）无论如何改变条件，可逆反应都不能进行到底。 （3）化学反应进行的限度决定反应物在某条件下的最大转化率，与反应时间或反应速率无关。 （4）正反应速率的大小与反应物自身的性质、反应物的浓度、温度以及催化剂等有关，与反应进行的程度无关。 （见学生用书P64） 探究点1　化学平衡状态的特征及判断依据 1.将2 mol SO2和1 mol O2充入容器，发生如下反应：2SO2＋O22SO3，一段时间后，再向容器中充入含氧同位素O的氧气，则最终188O存在于哪些物质中？为什么？ 答案　O可能存在于氧气、二氧化硫和三氧化硫中，因为该反应为可逆反应，当含 O的氧气参与反应生成含 O的三氧化硫，同时含 O的三氧化硫又分解生成二氧化硫和氧气，故最终三种物质中都可能含有 O。 2.恒容条件下进行反应Fe2O3（s）＋3CO（g）2Fe（s）＋3CO2（g），试写出四个能反映该反应达到平衡状态的依据。 答案　①CO或CO的浓度保持不变；②混合气体的密度保持不变；③n（CO）或n（CO2）保持不变；④Fe2O3（s）的质量不变等。 1.化学平衡状态的特征 2.化学平衡状态的判断依据 （1）直接判断依据 ⇒达到平衡状态 （2）间接判断依据 列举反应 mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g） 混合体系 中各成分 的含量 ①各物质的物质的量或物质的量浓度一定 平衡 ②各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡 ③各气体的体积或体积分数一定 平衡 ④总体积、总压力、总物质的量一定 不一定平衡 正、逆反 应速率的 关系 ①在单位时间内消耗了m mol A，同时消耗q mol D，即v正＝v逆 平衡 ②在单位时间内消耗了n mol B，同时消耗p mol C，即v正＝v逆 平衡 ③v（A）∶v（B）∶v（C）∶v（D）＝ m∶n∶p∶q （v正不一定等于v逆） 不一定 平衡 ④在单位时间内生成了n mol B，同时消耗了q mol D（均指v逆） 不一定 平衡 压强 ①若m＋n≠p＋q时，总压力一定（其他条件一定） 平衡 ②若m＋n＝p＋q时，总压力一定（其他条件一定） 不一定 平衡 混合气体 的平均相 对分子质 量（） ① 一定，当m＋n≠p＋q时 平衡 ②一定，当m＋n＝p＋q时 不一定 平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量变化，当体系温度一定时（其他不变） 平衡 体系的密 度（ρ） 一定（体积一定） 不一定 平衡 【例题1】吸热反应H2S（g）＋CO2（g）COS（g）＋H2O（g），若在恒容绝热的容器中发生，下列情况下反应一定达到平衡状态的是（　　） A.容器内的压强不再改变 B.容器内气体密度不再改变 C.容器内c（H2S）∶c（CO2）∶c（COS）∶c（H2O）＝1∶1∶1∶1 D.单位时间内，断开H—S键的数目和生成H—O键的数目相同 答案　A 解析　正反应吸热，若容器内的压强不再变化，说明温度不变，则达到平衡状态，A项正确；恒容条件下，且反应前后气体总质量不变，则无论是否达到平衡状态，密度都不变，密度不变，不能说明达到平衡状态，B项错误；容器内 c（H2S）∶c（CO2）∶c（COS）∶c（H2O）＝1∶1∶1∶1，不能说明达到平衡状态，C项错误；断开H—S键和生成H—O键都表示正反应方向，单位时间内二者数目相同不能说明达到平衡状态，D项错误。 【变式1】可逆反应2NO2（g）2NO（g）＋O2（g）在恒容密闭容器中进行，有如下条件： ①单位时间内生成n mol O2的同时，生成2n mol NO2 ②单位时间内生成n mol O2的同时，生成2n mol NO ③用NO2、NO和O2的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为2∶2∶1 ④混合气体的颜色不再改变 ⑤混合气体的密度不再改变 ⑥混合气体的压强不再改变 ⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变 可说明该反应达到化学平衡状态的是　　　　　　　。 解析　①单位时间内生成n mol O2必同时消耗2n mol NO2，而生成2n mol NO2必同时消耗n mol O2，能说明反应已达到化学平衡状态；②都表示v正，不能说明；③中无论反应是否达到化学平衡状态，各物质表示的化学反应速率之比都等于相应物质的系数之比，不能说明；④有色气体的颜色不再改变，则表示体系中各物质的物质的量浓度不再变化，说明反应已达到化学平衡状态；⑤体积固定，反应前后气体的质量不变，无论是否达到化学平衡状态，混合气体的密度始终不变，不能说明；⑥反应前后气体的体积不相等，当压强不变时，意味着各物质的含量不再变化，说明反应已达到化学平衡状态；⑦由于反应前后气体的质量不变，气体的物质的量变化，气体的平均相对分子质量不变时，说明气体中各物质的物质的量不变，反应达到化学平衡状态。 答案　①④⑥⑦ 探究点2　化学反应条件的控制 3.生活中有很多现象都存在化学知识，如炉火越扇越旺，但蜡烛的火焰一扇就灭。同样是扇风，结果为什么不同？试解释其中的原因。 答案　“炉火越扇越旺”是因为扇风为燃烧提供了足量的氧气，促进燃烧；“蜡烛的火焰一扇就灭”是因为空气流动带走大量的热量，使蜡烛周围的温度低于蜡烛的着火点。 1.化学反应条件的控制 2.以煤的燃烧为例：化学反应条件的控制 （1）煤的状态 煤被研得越细，与空气中氧气的接触面积越大，燃烧越充分，反应速率越大。 （2）空气用量 适当过量的空气有利于煤的充分燃烧。过多的空气会带走大量的热量，降低反应温度，减小燃烧速率，甚至会使燃烧停止（当温度达不到煤的着火点时）；少量的空气则会使煤燃烧不充分，造成能源浪费。 （3）炉（灶）膛材料的选择 炉（灶）膛材料采用隔热的耐高温材料。隔热可以减少热量的流失，耐高温材料可以防止炉（灶）膛熔融（或熔裂）而脱离。 （4）热量的利用 燃烧后废气中的热量可用于供暖或发电等。 【例题2】可逆反应CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g），正反应为放热反应，为了增加甲醇的产量，工厂应采取的措施是（　　） A.高温、高压 B.低温、低压 C.适宜温度、高压、催化剂 D.低温、高压、催化剂 答案　C 解析　高温对提高甲醇的产量不利，高压有利于提高甲醇的产量，A项错误；低温、低压，都对提高甲醇的产量不利，B项错误；适宜温度、高压、催化剂，对提高甲醇的产量有利，C项正确；温度太低，反应速率太慢，也不利于提高单位时间内的产量，所以温度应适宜，D项错误。 【变式2】某化工厂生产Z的反应为X （g） ＋ 2Y（g）2Z（g）；温度、压强对Y的转化率的影响如下表所示： 　　　压强/MPa 温度/℃　　 0.1 0.5 1 10 400 99.2 99.6 99.7 99.9 500 93.5 96.9 97.8 99.3 600 73.7 85.8 89.5 96.4 工业合成Z的适宜条件是（　　） A.高温、高压 B.低温、高压 C.常温、常压 D.常压较高温度 答案　D 解析　该反应为可逆反应，正方向为体积减少的放热反应，从化学平衡移动条件分析应该采用低温高压有利于生成Z；增大压强可以使Y的转化率增大；而根据表格中提供的数据发现，压强的增加引起Y转化率的变化并不明显，所以工业上直接采用常压；工业合成Z的适宜条件是常压较高温度，故选D项。 （见学生用书P66） 1.（化学平衡状态与限度）可逆反应在一定条件下达到化学平衡时，下列说法不正确的是（　　） A.正反应速率等于逆反应速率 B.反应物和生成物浓度不再发生变化 C.反应体系中混合物的组成保持不变 D.正、逆反应速率都为零 答案　D 解析　平衡状态时v正＝v逆≠0。 2.（化学反应的调控）在工业生产硫酸的过程中，发生如下反应：2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）＋Q，下列叙述中不正确的是（　　） A.矿石粉碎的目的是使原料充分利用，并增大接触面使反应速率加快 B.接触室中采用常压的主要原因是常压下SO2的转化率已经很高 C.沸腾炉中出来的混合气需要洗涤，目的是防止催化剂中毒 D.工业产生硫酸的过程中使用过量的空气以提高O2的利用率 答案　D 解析　矿石粉碎增大了反应物的接触面积，反应速率加快，A项正确；在二氧化硫的催化氧化中，常压下二氧化硫的转化率很高，增大压强会增大反应速率，缩短达到平衡所需时间，反应物转化率也会增大，但同时会增加成本，总体上不经济，B项正确；沸腾炉中出来的混合气中含有很多杂质，能够引起催化剂中毒，洗涤的目的是防止催化剂中毒，C项正确；使用过量的空气增大氧气的浓度，可以提高SO2的利用率，D项错误。 3.（化学平衡状态的判断）煤焦与水蒸气的反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）（是吸热反应）是煤气化过程中的主要反应之一。若该反应在恒温、恒容的密闭体系中进行，仅通过以下数据可以判断t时刻反应是否达到平衡状态的是（　　） ①t时刻及其前后H2O（g）、CO（g）、H2（g）的浓度　②t时刻，H2O（g）、CO（g）、H2（g）的浓度　③t时刻，消耗H2O（g）的速率与生成CO（g）的速率　④t时刻，生成CO（g）的速率与消耗H2（g）的速率 A.①③ B.①④ C.②③ D.②④ 答案　B 解析　t时刻及其前后各种气体的浓度不变时，该反应正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，①可以判断t时刻反应是否达到平衡状态；t时刻，各种气体的浓度只是一个瞬时数值，无法判断平衡状态，②无法判断；无论反应是否达到平衡状态都存在消耗H2O（g）的速率与生成CO（g）的速率相等，所以不能据此判断平衡状态，③无法判断；t时刻生成CO（g）的速率是正反应，消耗H2（g）的速率是逆反应，v（正）＝v（逆）可以判断平衡状态，④可以判断t时刻反应是否达到平衡状态。故选B项。 4.（化学反应速率图）合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）（正反应为放热反应），在673 K、30 MPa下，n（NH3）和n（H2）随时间t变化的关系如图所示。下列叙述中正确的是（　　） A.c点处正反应速率和逆反应速率相等 B.a点的正反应速率比b点的小 C.d点（1时刻）和e点（2时刻）处n（N2）相等 D.在2时刻，正反应速率大于逆反应速率 答案　C 解析　c点反应物和生成物物质的量仍在变化，没有达到平衡状态，所以正、逆反应速率不相等，A项错误；从a点到b点，氢气的物质的量在逐渐减小，即其物质的量浓度在逐渐减小，所以正反应的反应速率逐渐减小，B项错误；d点和e点处于同一平衡状态，即d点和e点处 n（N2）相等，C项正确；在t2时刻，该反应处于化学平衡状态，所以正、逆反应速率相等，D项错误。 5.（综合应用）为了减少温室气体排放，目前工业上采用CO2与H2在CuO－ZnO/ZrO催化下反应制备重要化工原料甲醇（CH3OH）的工艺为CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）（正反应放热）。为了探究其反应原理，某化学兴趣小组进行了如下实验，在2 L恒容密闭容器中250 ℃条件下，测得n（CO2）随时间的变化情况如表所示： 时间/s 0 1 2 3 4 5 n（CO2）/mol 0.40 0.35 0.31 0.30 0.30 0.30 回答下列问题： （1）0～3 s内用H2表示的平均反应速率是　　　　。 （2）平衡时CO2的物质的量为　　　　。 （3）能说明反应已达到平衡状态的是　　　　（填序号）。 A.v（H2）＝3v（CO2） B.容器内压强保持不变 C.v逆（CO2）＝v正（CH3OH） D.容器内混合气体的密度保持不变 解析　（1）v（H2）＝3v（CO2）＝3×＝0.05 mol·L－1·s－1。（2）3s后，CO2浓度不再随时间变化，说明反应达到平衡状态，此时CO2为0.30 mol。（3）A项，任何时刻均有v（H2）＝3v（CO2）；B项，容器内压强保持不变，说明混合体系中各物质的量恒定，反应达到平衡状态；C项， v逆（CO2）＝v正（CH3OH）＝v正（CO2），说明CO2的消耗量等于其生成量，反应达到平衡状态；D项，因混合气体的体积、质量不变，则容器内混合气体的密度始终保持不变。 答案　（1）0.05 mol·L－1·s－1　（2）0.30 mol　（3）BC 学科网（北京）股份有限公司 $$