6.2.2 化学反应限度【核心素养新教学】2025-2026学年高一化学同步优质教学课件（人教版必修第二册）

高中化学人教版（2019）必修第二册 第2课时 第二节化学反应中的速率与限度  第六章 化学反应与能量 化学反应的限度 化学与生活 弗里茨·哈伯 第一个从空气中制造出氨的科学家，加速了世界农业的发展，因此获得1918年诺贝尔化学奖。 19世纪下半叶，炼制生铁过程中所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，而且从高炉排出的废气中总是含有没有利用的CO。工程师们认为是CO与铁矿石接触不充分造成的，于是增加高炉的高度。然而，增高后，高炉尾气中CO的比例竟然没有改变。 出铁口 进风口 O2 N2 热空气 生铁 进风口 出渣口 炉渣 CO2+C 2CO 高温 C+O2 CO2 高温 铁矿石、焦炭、石灰石 高炉气体 高炉气体 3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2 高温 CaCO3+SiO2 CaSiO3 + CO2↑ 高温 这是什么原因呢？ CONTENTS 目录 学习目标 重点：1. 可逆反应和化学平衡状态的概念。 2. 化学平衡状态的特征和判断方法。 3. 影响化学反应限度的因素。 难点：1. 对化学平衡状态的理解和判断。 2. 运用化学反应限度的知识分析和解决化工生产中的实际问题。 感受反应限度 实验1 ①、向2mL 0.01 mol/L FeCl3溶液中加入4mL 0.01 mol/L KI溶液 ②、将生成物溶液取2份于试管一份加入2滴淀粉溶液，一份加入2滴KSCN， 2I- + 2Fe3+ = 2Fe2+ + I2 KI + FeCl3 FeCl3 2mL 0.01mol/L KI 4mL 0.01mol/L 分析： 试管中同时 存在I2与Fe3+ 思考1-1 ①、观察实验现象，分析：实验现象说明溶液中存在哪些微粒？ ②、对于这个反应来说，I-是少量的、适量的、还是过量的？ ③、你对这个化学反应有哪些认识？或产生了哪些疑问？ （2×10-5 mol） （4×10-5 mol） +KSCN +淀粉 什么是限度？ 4 感受反应限度 什么是化学反应的限度？ 并非所有的反应都能进行到底， 一个反应在该条件下，能达到的最大程度，就是反应的限度 限度决定了该条件下反应物的最大转化率 （转化量/起始量） 有些反应不能进行到底，反应物不会完全转化为生成物。当反应物反应到一定程度后就不会继续减少，我们把该条件下，反应物能够转化的最大程度叫做这个化学反应的限度 转化率：合成氨：10%-16%，高炉炼铁、SO2+H2O；Cl2+H2O等 5 【工业 · 接触法制硫酸】 接触法制备硫酸的第二步，利用SO2与O2反应得到SO3 但是在实际生产中，人们发现，即使通入过量O2，仍然无法使SO2完全转化。 反应炉中始终同时存在SO2、O2、与SO3 资料卡片1 可逆反应 为什么反应会存在限度？ 6 思考2-1 为什么达到反应限度时，SO2、O2、SO3同时存在？ 观点1：只有部分SO2与O2发生反应,而生成的SO3并未分解 观点2：SO2与O2全部转化成SO3后 ,部分SO3又分解生成SO2和O2 观点3：SO2与O2反应生成SO3的同时 , SO3分解得到SO2和O2 将SO2与18O2按合适比例投入含催化剂的密闭高温反应容器，反应一段时间后，经同位素示踪法检测，18O核素存在于SO2 、O2 、SO3中 资料卡片2 密闭容器中SO2与O2在一定条件下发生反应 ,反应过程中SO3的物质的量的变化趋势如图1，而非图2 资料卡片3 可逆反应 7 S 16O 18O SO2 + 18O2 → SO3 SO3 → SO2+ O2 可逆反应 为什么反应会存在限度？ 8 2SO2 + O2 2SO3 高温 催化剂 可逆反应 同一条件下，同时向正、逆两个方向进行的化学反应 可逆反应中，正反应与逆反应同时进行，均不会进行到底，因此可逆反应存在限度 反应物 生成物 SO2与O2反应生成SO3的同时 , SO3分解得到SO2和O2 （可逆反应） 可逆反应 9 【思考】对于可逆反应 　　　　　　　　 1、向反应容器中充入 N2 和 H2 ，可生成 NH3 ； 若向反应容器中充入 NH3 ，______ 得到 N2 （“能”或“不能”） 。 能 2、向反应容器中充入 1 mol N2 和 3 mol H2 ，充分反应后， ①反应容器中 _____ N2 剩余（“有”或“无”）； ②最终可得到 _________ mol NH3 。 小于 2 有 N2+3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 可逆反应 和 　　　　　　　　　 互为可逆反应吗？ 学习过的可逆反应有哪些？ 2SO2+O2 2SO3 催化剂 △ Cl2+H2O HCl+HClO NH3+H2O NH3·H2O SO2+H2O H2SO3 N2+3H2 2NH3 高温、高压 催化剂 不是，反应条件不相同 可逆反应 定义：在相同条件下，能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称为可逆反应。 特点 双同性 共存性 双向性 反应物 生成物 正反应方向 逆反应方向 在相同条件下，正、逆反应同时进行 反应物和生成物共同存在，反应物转化率小于100% 可逆反应 思考3-1 ①、该可逆反应何时达到限度 ②、达到限度时，各物质浓度有什么特征？ 时间(t/min) 0 10 20 30 40 50 60 70 c (SO2) mol/L 1 0.7 0.5 0.35 0.2 0.1 0.1 0.1 c (O2) mol/L 0.5 0.35 0.25 0.18 0.1 0.05 0.05 0.05 c (SO3) mol/L 0 0.3 0.5 0.65 0.8 0.9 0.9 0.9 SO2 与O2反应 时间-浓度表 资料卡片4 化学平衡状态 13 思考3-2 时间(t/min) 0 10 20 30 40 50 60 70 c (SO2) mol/L 1 0.7 0.5 0.35 0.2 0.1 0.1 0.1 c (O2) mol/L 0.5 0.35 0.25 0.18 0.1 0.05 0.05 0.05 c (SO3) mol/L 0 0.3 0.5 0.65 0.8 0.9 0.9 0.9 SO2 与O2反应 时间-浓度表 化学平衡状态 资料卡片4 化学反应速率与反应物浓度呈正相关 即：一定范围内，浓度越大，反应速率越快 ①、正反应速率何时最大？ 反应后，正反应速率如何变化? ②、逆反应速率何时最小？ 反应后，逆反应速率如何变化? 反应速率 时间 正反应 逆反应 化学平衡 为什么反应会存在限度？ 14 化学平衡 可逆反应达到限度时，正、逆反应速率相等，各物质浓度不变， 这种状态称之为“化学平衡状态” 化学平衡状态 思考3-3 为什么可逆反应到达平衡状态后，各物质的浓度不再变化？ ν(正反应）= ν(逆反应） 反应中各物质的浓度不变 原因 化学平衡状态 判断依据 化学平衡是一种“动态平衡”，并非反应停止 为什么反应会存在限度？ 15 逆、等、动、定、变 逆 定 动 等 变 研究的对象是可逆反应 各组成成分的浓度/物质的量/百分含量不变 同一物质 v正 = v逆 ≠ 0 一种动态平衡；化学反应达到平衡时，反应并没有停止 外界条件改变时，原平衡状态被破坏，在新条件下建立平衡 温度，浓度改变都能使平衡移动、加催化剂不能 (前提) (本质) (标志) 化学平衡状态的特征 化学平衡状态 思考3-4 2NO2 N2O4 (红棕色） (无色） 如何判断该反应达到化学平衡？ 实验2 将装有NO2和N2O4混合气体的密封玻璃球分别放入冷水、热水中，观察实验现象,分析NO2、N2O4的浓度 冷水 热水 体系颜色变化 NO2浓度变化 N2O4浓度变化 思考3-5 化学平衡状态可以改变吗？ 化学平衡状态 为什么反应会存在限度？ 17 化学平衡状态的判断依据 1、直接标志——正逆反应速率 标志一 ：v正 = v逆 ≠ 0 同种物质：速率相等，v (A)正＝v (A)逆 不同物质：一正一逆成比例， v (A)正：v (B)逆＝a：b 必须是一正一逆的速率 下列有关化学反应限度的说法正确的是(　　 ) A、可逆反应达到平衡状态时反应物的浓度等于生成物的浓度 B、可逆反应达到平衡状态时正、逆反应速率相等 C、可逆反应达到平衡状态后不可改变 D、可逆反应达到平衡状态时反应停止 B 化学平衡状态的判断依据 【例】一定条件下，对于逆反应N2＋3H2 2NH3，表示正、逆反应速率可以用N2或H2或NH3来表示：下列能表示反应达到化学平衡状态的是 （1）v正（N2）=v逆（N2） （2）2v正（N2）=v逆（NH3） （3）单位时间内，有1mol N2消耗，同时有1mol N2生成 （4）单位时间内，有3mol H2消耗，同时有2mol NH3生成 （5）单位时间内，有1mol N2消耗，同时有3mol H2消耗 （6）1mol N三N 键断裂的同时有2mol N-H 键断裂 （7）当有3个H—H键断裂，同时有2个N—H键断裂 X X X 化学平衡状态的判断依据 1、 直接标志——各组分的含量 标志二：各组分的浓度保持不变 ①各组分的 物质的量 或 物质的量分数 保持不变 ②各气体的 体积 或 体积分数 保持不变 ③各组分的 质量 或 质量分数 保持不变 是各组分， 不是总成分 化学平衡状态的判断依据 一定条件下的密闭容器中,发生可逆反应CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)。下列情况不能说明该反应一定达到化学平衡的是(　 　) A、H2的质量保持不变 B、CH4的含量保持不变 C、正反应和逆反应的速率相等 D、CH4、CO2、CO和 H2 的物质的量之比为1∶1∶2∶2 D 化学平衡状态的判断依据 方法指导 (1)选变量 选定反应中“变量”，即随反应进行而变化的量，当变量不再变化时，反应已达平衡。 (2)常见的变量 ①气体的颜色；②对于气体体积有变化的反应→恒压反应时的体积、恒容反应时的压强；③对于反应体系中全部为气体，且气体物质的量有变化的反应→混合气体的平均相对分子质量；④对于反应体系中不全部为气体的反应→恒容时混合气体的密度等。 (3)说明：在利用M、ρ、n(总)、p(总)判断时要注意反应特点和容器的体积变化问题。 利用“变量”与“不变量”来判断化学平衡状态 化学平衡状态的判断依据 2、间接标志——“变量不变” 变量不变 即达平衡 分析该量是“变量”还是“恒量”： 如为“恒量”，即随反应的进行永远不变，则不能作为判断平衡状态的依据；如为“变量”，即该量随反应进行而改变，当其“不变”时，则为平衡状态。 注 意 常见公式：PV=nRT 、ρ= 、Mr(气体)= 化学平衡状态的判断依据 2、间接标志：“变量”不变即为平衡 ①混合气体总压强 因为恒容、恒温条件下，n(g)越大则压强P就越大，则无论各成份是否均为气体，只需考虑Δn(g)。 当Δn(g)=0，则 P 为恒值，不一定是化学平衡状态。 PV=nRT 当Δn(g)≠0，则 P 一定时，一定是化学平衡状态。 化学平衡状态的判断依据 恒容、恒温条件下 ， C (s)+O2(g) CO2(g) 当体系总压强不变时，_______是化学平衡状态 CO2(g)+C(s) 2CO(g) 当体系总压强不变时，_______是化学平衡状态 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ， 当体系总压强不变时，_______是化学平衡状态 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 当体系总压强不变时，_______是化学平衡状态 不一定 一定 一定 不一定 化学平衡状态的判断依据 2、间接标志：“变量”不变即为平衡 ②气体的平均相对分子质量 取决于有无非气体 取决于气体系数差 若m+n≠p+q 若m+n=p+q m总为定值 n总为变量 Mr为变量 平衡状态 n总为定值 Mr为定值 不一定为平衡状态 （1）若各物质均为气体 mA(g)＋nB(g) ⇌pC(g)＋qD(g) mA(g)＋nB(g) ⇌pC(s)＋qD(g) （2）若有非气体参与 m总为变量 Mr为变量 平衡状态 化学平衡状态的判断依据 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ， 当平均相对分子质量不变时，_______是化学平衡状态 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 当平均相对分子质量不变时，_______是化学平衡状态 1、 一定 不一定 2、C(s)+O2(g) CO2(g) 当平均相对分子质量不变时，_______是化学平衡状态 CO2(g)+C(s) 2CO(g) 当平均相对分子质量不变时，_______是化学平衡状态 一定 一定 化学平衡状态的判断依据 2、间接标志：“变量”不变即为平衡 ③气体密度ρ ρ= m总 V容器 取决于有无非气体 取决于气体系数差 (2)若有非气体参与，恒压或是恒容 (1)若各物质均为气体 ρ不变时， 不一定为平衡状态 恒容 恒压 若m+n≠p+q 若m+n=p+q ρ不变时， 一定为平衡状态 mA(g)＋nB(g) ⇌pC(g)＋qD(g) 化学平衡状态的判断依据 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ， 恒容条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 恒压条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 H2(g)+I2(g) 2HI(g) 恒容条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 恒压条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 不一定 一定 不一定 不一定 CO2(g)+C(s) 2CO(g) 恒容条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 恒压条件下，当气体密度不变时，________是化学平衡状态 一定 一定 化学平衡状态的判断依据 2、间接标志：“变量”不变即为平衡 ④体系的颜色和温度不变 一定为平衡状态 H2 + I2 2HI △ 2NO2 N2O4 红棕色 绝热容器中，当体系温度不变，则达平衡。 （若为恒温容器，则不可作为平衡判据） (2)体系温度不变： (1)体系颜色不变： 化学平衡状态的判断依据 可逆反应2NO2(g) 2NO(g)+O2(g)在恒容密闭容器中进行: 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(　 　) A.①④⑥⑦ B.②③④⑥ C.①④⑤⑦ D.①②⑥⑦ A 【小结】化学平衡状态的判断依据 化学平衡状态的判断标志 (1)速率: ν正= ν逆 ①同一物质: v正(A) = v逆(A) 直接标志 (2)各组分的浓度保持不变 间接标志 ——总压强、总物质的量、混合气体的r 、体系的密度等 —— 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不同物质， v正(A) : v逆(B) = 化学计量数之比 （根据具体情况分析） 判断依据 化学平衡状态的判断依据 以 mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g) 为例 间 接 标志 压强不变 若m+n≠p+q 平衡 若m+n=p+q 不一定 平均相对分子质量r不变 若m+n≠p+q 若m+n=p+q 平衡 密度ρ不变 不一定 不一定 颜色温度不变 平衡 Mr(气体)= ρ= m总 V容器 PV=nRT 化学反应条件的控制 “向空气要面包”的工业——合成氨 19世纪初人口剧增，粮食产量不足成为要命的问题。氮肥对粮食增产至关重要， 自此，“合成氨”引发广泛关注，随着130年的漫长探索，“合成氨”投入工业生产。 目前，合成氨工业常用的催化剂为四氧化三铁，反应温度控制在485℃~515 ℃ 资料卡片5 思考4-1 ①、合成氨反应中，温度越低，氨气的产率越高，为什么工业生产时选择用500℃左右的高温，而不用更低的反应温度？ ②、工业生产时，确定反应条件需要综合考虑哪些因素？ 为什么反应会存在限度？ 35 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。 合成氨的生产在温度较低时，氨的产率较高；压强越大，氨的产率越高。但温度低，反应速率小，需要很长时间才能达到化学平衡，生产成本高，工业上通常选择在400~500℃下进行。而压强越大，对动力和生产设备的要求也越高，合成氨厂随着生产规模和设备条件的不同，采用的压强通常为10~30MPa。 催化剂 高温、高压 N2 + 3H2 2NH3 工业合成氨 化学反应条件的控制 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。 基本措施 改变反应速率 改变反应限度 改变温度、浓度、气体的压强、固体的表面积以及催化剂的合理使用等 改变温度、浓度、气体的压强等 化学反应条件的控制 思考：为提高燃料的燃烧效率，应如何调控燃烧反应的条件? 提高燃料燃烧效率的具体措施： (1)将煤研细，增大与氧气的接触面积，加快反应速率；使用助燃剂 (2)适当过量的空气有利于煤的充分燃烧； (3)炉(灶)膛材料采用保温性能好的的耐高温材料； (4)废气中的热量可用于供暖或发电等。 化学反应条件的控制 归纳总结 化学反应限度 1、可逆反应的进程都有一定的限度 2、化学平衡状态的建立 3、化学平衡状态的特征——动、等、定、变。 4、化学平衡状态的判断——判断依据：等、定 化学反应条件的控制 促进有利的化学反应，抑制有害的化学反应。 $