6.2 第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（人教版2019 不定项版）

第2课时　化学反应的限度　化学反应条件的控制 课程标准 核心素养目标 　　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化学平衡状态。 2．认识化学变化是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 　　1.变化观念与平衡思想：结合实例体会可逆反应存在限度，理解化学平衡状态的特征，发展“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。 2．科学态度与社会责任：从化学反应限度和快慢的角度解释生产、生活中的简单的化学现象，体会从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性，认识控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 ◆名师点拨 化学平衡状态的理解 (1)化学平衡的研究对象是一定条件下的密闭容器中的可逆反应，只有可逆反应才存在化学平衡状态。 (2)相同条件下，可逆反应无论是从正反应开始，还是从逆反应开始，最终达到相同的平衡状态。 ◆名师点拨 化学平衡状态的特征 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)CaO＋CO2===CaCO3和CaCO3CaO＋CO2↑属于可逆反应。(　　×　　) (2)在一定条件下，向密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2充分反应，达到平衡时N2、H2、NH3三者共存。(　　√　　) (3)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。(　　√　　) (4)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且等于零。(　　×　　) (5)平衡状态时，各物质的浓度保持相等。(　　×　　) 我的感悟 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、化学反应的限度 1．化学平衡状态的建立 以反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)为例，一定温度下，将一定量的SO2和O2的混合气体通入密闭容器中： 从化学反应速率角度认识化学平衡状态的建立过程，如图所示： 　　 2．化学平衡状态的概念 (1)在一定条件下，某个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，我们称之为化学平衡状态，简称化学平衡。 (2)化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到或完成的最大程度，即该反应进行的限度。 (3)化学反应的限度决定了反应物在该条件下转化为生成物的最大转化率。 (4)转化率及其计算 转化率是指已被转化的反应物的物质的量与其初始的物质的量之比，计算公式可表示为转化率＝×100%。 [微点拨]　①任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度，只是不同反应的限度不同。 ②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。 二、化学反应条件的控制 1．控制反应条件的意义 2．反应条件的控制 (1)基本措施 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成本和实际可能性。 (2)实际案例——工业合成氨条件的控制 温度 压强 温度较低 实际 压强较大 实际 有利：氨的产率较高 不利：反应速率小、生产成本高 常用温度400～500 ℃ 有利：氨的产率较高 不利：对动力和生产设备的要求高 常用压强10 MPa～30 MPa 探究一__化学平衡状态的判断 利用“同位素示踪法”探究可逆反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)生成SO3过程中O2中氧原子的去向，将O2中氧原子标注为18O，微观示意图如下： [问题设计] (1)反应进行足够长时间后，哪些物质中含有18O？据此得出什么结论？ 提示：二氧化硫、氧气和三氧化硫中都含有18O；二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫的同时，三氧化硫也分解生成二氧化硫和氧气。 (2)若恒容条件下进行反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)，试写出四条能说明该反应达到平衡状态的依据。 提示：①SO2、SO3和O2的浓度保持不变；②SO2的消耗速率与SO3的消耗速率相等；③SO3的百分含量保持不变；④容器内气体的压强保持不变(其他合理答案均可)。 判断可逆反应是否达到化学平衡状态的思维模板 (1)分析可逆反应及反应体系的特点 (2)化学平衡状态的判断——正逆相等，变量不变 【例1】 (2023·赣州高一期末)在温度和容积不变的条件下，发生反应2NO2(g)⇌2NO(g)＋O2(g)，能表明该反应达到平衡状态标志的描述是(　　　　　) A．NO2、NO、O2各物质的浓度之比为2∶2∶1 B．容器内气体颜色不再变化 C．2v正(NO2)＝v逆(O2) D．容器内气体的密度保持不变 B　解析：NO2、NO、O2各物质的浓度是变量，达到平衡时均保持不变，但其比值为2∶2∶1时，该反应不一定达到平衡状态，A错误；只有NO2是红棕色气体，当气体颜色不变时，c(NO2)保持不变，该反应达到平衡状态，B正确；v正(NO2)代表正反应速率，v逆(O2)代表逆反应速率，达到平衡时v正(NO2)＝2v逆(O2)，C错误；三种物质都是气体，反应体系是恒容，则混合气体的密度始终保持不变，不能判断是否达到平衡状态，D错误。 解答本题的思路如下： (1)分析反应体系的特点及可逆反应的特点，体系是温度和容积不变，该反应是正向气体总分子数增大的反应。 (2)分析各选项中物理量，判断是否为变量，若存在“变量不变”，则达到平衡状态。,\s\do4(　,)) [深度思考]当c(NO2)∶c(NO)或c(NO)∶c(O2)保持不变时，该反应是否达到平衡状态？为什么？ 提示：c(NO2)∶c(NO)不变时，该反应达到平衡状态；c(NO)∶c(O2)不变时，不能判断是否达到平衡状态，因为NO和O2都是生成物，其浓度之比始终等于2∶1。 1．(2024·安康高一期末)目前世界各国都规划了碳达峰、碳中和的时间节点。CO2与H2合成CH3OH的反应为CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)，将等物质的量的CO2与H2通入恒容密闭容器中发生上述反应，下列能说明该反应达到平衡状态的是(　　　　　) A．混合气体的密度保持不变 B．断裂3 mol C—H同时形成3 mol H—O C．v(CO2)＝v(CH3OH) D．消耗3 mol H2的同时生成1 mol CH3OH B　解析：反应前后的物质都是气体，气体的总质量不变，容器的容积不变，所以混合气体的密度保持不变不能说明达到化学平衡状态，A错误；断裂3 mol C—H同时形成3 mol H—O，说明正、逆反应速率相等，反应达到化学平衡状态，B正确；没有指明化学反应的方向，不能说明达到化学平衡状态，C错误；消耗3 mol H2的同时生成1 mol CH3OH，均为正反应速率，不能说明反应达到平衡状态，D错误。 探究二__化学反应条件的控制 　　　　　　　　　　　　　　　　 工业上以黄铁矿为原料生产硫酸的关键反应是2SO2＋O2⇌2SO3，该反应是放热反应。制备硫酸的工艺流程如图所示： [问题设计] (1)采取哪些措施，可增大2SO2＋O2⇌2SO3的化学反应速率？ 提示：升高温度、增大反应物浓度、使用催化剂等。 (2)采取哪些措施，可提高SO2的利用率和平衡混合气中SO3的含量？ 提示：适当增大O2浓度、增大体系的压强、降低反应温度等。 (1)提高燃料燃烧效率的措施 (2)化工生产中反应条件的控制 【例2】 (2023·连云港高一期末)工业制硫酸中的一步重要反应是SO2在400～500 ℃下的催化氧化：2SO2＋O22SO3，这是一个正反应放热的可逆反应。如果反应在密闭容器中进行，下列说法不正确的是(　　　　　) A．在上述条件下，SO2不可能100%转化为SO3 B．使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 C．达到平衡时，SO2与O2的浓度比始终保持2∶1 D．为了提高SO2的转化率，可以适当提高O2的浓度 C　解析：该反应是可逆反应，存在反应限度，反应物不可能100%转化为生成物，A正确； 使用催化剂增大了反应速率，缩短反应时间，提高生产效率，B正确； 不清楚SO2与O2的起始量，故达到平衡时，SO2与O2的浓度比不确定，C错误；增大反应物O2的浓度，平衡向正反应方向移动，提高了SO2的转化率，D正确。 2．二甲醚(CH3OCH3)是一种新型能源，由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚：2CO(g)＋4H2(g) ⥫⥬CH3OCH3(g)＋H2O(g)(放热反应)。实际生产中欲提高制备二甲醚反应速率，下列措施不合理的是(　　　　　) A．适当增大反应体系的压强 B．选择使用合适催化剂 C．增加合成气的用量 D．将CH3OCH3(g)液化并分离 D　解析：适当增大反应体系的压强、使用合适催化剂及增加合成气的用量，均能增大反应速率；将CH3OCH3(g)液化并分离，减小生成物的浓度，反应速率减小。 1．在一定条件下，某可逆反应的正反应速率和逆反应速率随时间变化的曲线如下图所示。下列叙述正确的是(　　　　　) A．t1时刻，反应逆向进行 B．t2时刻，逆反应速率大于正反应速率 C．t3时刻，反应物在该条件下转化率最大 D．t4时刻，正反应速率等于逆反应速率 D　解析：由图可知，t1时刻，正反应速率大于逆反应速率，反应仍正向进行，A错误；t2时刻，逆反应速率小于正反应速率，B错误；t3时刻，反应未达平衡状态，仍正向进行，此时反应物在该条件下转化率并非最大，C错误；t4时刻，该反应达到平衡状态，正反应速率等于逆反应速率，D正确。 2．(2024·十堰高一期末)某温度下，在2 L恒容密闭容器中加入4 mol X，发生反应2X(s)⇌Y(g)＋3Z(g)，数据如下表所示。下列说法正确的是(　　　　　) 时间段/s 0～20 0～40 0～60 v(Z)/[mol/(L·s)] 0.12 0.075 0.05 A.第10 s时，Y的浓度等于0.4 mol/L B.0～40 s内，用X表示的平均速率为0.05 mol/(L·s) C.反应到40 s时，已经达到化学平衡状态 D.容器内气体Y的体积分数不再变化时，达到化学反应的限度 C　解析：随着反应的进行，平均反应速率不断减小，第20秒时，Z的平均生成速率为0.12 mol/(L·s)，则第10秒时，Z的平均生成速率大于0.12 mol/(L·s)，Z的浓度大于0.12 mol/(L·s)×10 s＝1.2 mol/L，此时Y的浓度大于0.40 mol/L，A错误；X为固体，无法计算平均速率，B错误；根据表中数据可知，40 s末Z的浓度为0.075 mol/(L·s)×40 s＝3 mol/L，60 s末Z的浓度为0.05 mol/(L·s)×60 s＝3 mol/L，即40秒时，反应已达平衡状态，C正确；反应过程中，始终满足Y、Z的物质的量之比为1∶2的关系，所以混合气体的相对分子质量是定值，不能据此判断反应是否达到平衡状态，D错误。 3．工业合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，是正向放热的可逆反应，该反应在密闭容器中进行。下列说法错误的是(　　) A.使用催化剂是为了增大反应速率，提高生产效率 B.在上述条件下，N2可以实现100%转化 C.提高反应温度，可以增大反应速率 D.通过调控反应条件，可以提高反应进行的程度 B　解析：催化剂可以增大反应速率，缩短生产时间，提高生产效率，A正确；合成氨的反应是可逆反应，可逆反应不能进行彻底，因此N2不可能100%转化，B错误；温度升高，可以使单位体积内的活化分子数增大，有效碰撞次数增多，反应速率增大，C正确；通过调控反应条件，可以使化学平衡正向移动，提高反应进行的程度，D正确。 4．(2024·湖州高一期末)在恒温恒容条件下，发生反应A(g)＋2B(g)⇌3X(g)，c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是(　　　　　) A.从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率 B.若c(B)随时间变化关系如图曲线乙所示，可能是其他条件不变的情况下降低温度 C.在不同时刻都存在关系：3v(B)＝2v(X) D.反应过程中，容器中气体的密度保持不变 B　解析：从a、c两点坐标可知从a到c时间间隔内物质B的浓度变化量，从而求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率，A正确；若降低反应温度，化学平衡会发生移动，达到平衡时c(B)和曲线甲达到平衡时c(B)不相等，则降低反应温度，c(B)随时间变化关系不能用图中曲线乙表示，B错误；反应速率之比等于化学计量数之比，则v(B)∶v(X)＝2∶3，3v(B)＝2v(X)，C正确；恒温恒容，反应前后气体的质量不变，则密度不变，D正确。 5．(2024·浙江钱塘联盟期中)利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是工业上生产硫酸的关键步骤，发生反应： 2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) 请回答下列问题： (1)该反应为放热反应，则反应物的总键能________(填“高于”“等于”或“低于”)生成物的总键能。 (2)恒温恒容时，下列措施能使该反应速率增大的是________(填标号，下同)。 a.增加O2的浓度 b．选择高效催化剂 c.充入氦气 d．适当降低温度 (3)下列情况能说明该反应达到化学平衡状态的是________。 a.2v正(O2)＝v逆(SO2) b.恒温恒容时，混合气体的密度不再随时间变化 c.SO3的物质的量不再变化 d.SO2、O2、SO3三者的浓度之比为2∶1∶2 (4)某次实验中，在容积为2 L的恒温密闭容器中通入10 mol SO2和10 mol O2，反应过程中部分物质的物质的量随反应时间的变化如图所示。 ①2 min时，v正(SO2)________(填“>”“<”或“＝”)v逆(SO2)。 ②用O2的浓度变化表示0～2 min内反应的平均速率是________mol/(L·min)。 ③达到平衡时，容器内O2的体积百分数为________。 答案：(1)低于　(2)ab　(3)ac　(4)①>　②0.625 ③37.5% 解析：(1)该反应是放热反应，则反应物断裂化学键吸收的总能量小于生成物形成化学键释放的总能量。 (2)增加反应物O2浓度，化学反应速率增大，a正确；选择高效催化剂，可以增大反应速率，b正确；充入氦气，不影响反应速率，c错误；降低温度，化学反应速率降低，d错误。 (3)2v正(O2)＝v逆 (SO2)，正、逆反应速率之比等于化学计量数之比，a正确；反应混合物均为气体，混合气体的密度始终保持不变，b错误；SO3为生成物，其物质的量保持不变说明反应达到平衡，c正确；平衡时，所有物质的浓度不一定等于其化学计量数之比，d错误。 (4)①2 min时，SO2与SO3的物质的量相等，反应在向正反应方向进行，即v正(SO2)>v逆(SO2)。 ②0～2 min，v(O2)＝＝×＝0.625 mol/(L·min)。 ③达到平衡时，SO2、SO3的物质的量分别为2 mol、8 mol，消耗的O2物质的量为4 mol，剩余的O2物质的量为6 mol。O2的体积分数为×100%＝37.5%。 学科网（北京）股份有限公司 $$