高中化学《化学反应的方向和限度》学案3 苏教版选修4

1 专题专题 2 2 化学反应速率与化学平衡化学反应速率与化学平衡 第二单元第二单元 化学反应的方向和限度化学反应的方向和限度 第一课时第一课时 化学反应的方向化学反应的方向 判断化学反应方向的依据判断化学反应方向的依据 引入 自然界中有许多现象是可以自发进行的 请结合自己的生活经验举例说明 自然界中水总是从高处往低处流 电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动 室温下冰块自动融化 墨水扩散 食盐溶解于水 火柴棒散落 化学反应中镁条燃烧 酸碱中和 铁器暴露在潮湿空气中生锈 甲烷和氧气的混合气 体遇明火就燃烧 锌与 CuSO4溶液反应生成 Cu 和 ZnSO4等 这些过程都是自发的 其 逆过程就是非自发的 一 化学反应的方向 1 自发过程 在一定条件下 不借助外部力量就能自动进行的过程 2 自发反应 在一定的条件下无需外界帮助就能自动进行的反应 过渡 如何判断一个过程 一个反应能否自发进行 二 判断化学反应方向的依据 交流与讨论 酸碱中和 镁条燃烧等这些一定条件下能自发发生的反应有何共同特点 H O 即放热反应 放热反应使体系能量降低 能量越低越稳定能量越低越稳定能量越低越稳定 H O 有利于反应自发进行 1 焓判据 能量判据 体系趋向于从高能状态转变为低能状态 这时体系会对外做功或者释放热量 H 0 设问 自发反应一定要 H O NH4HCO3 s CH3COOH aq CO2 g CH3COONH4 aq H2O l H 37 30kJ mol 结论 H O 有利于反应自发进行 但自发反应不一定要 H 0 有利于反应自发进行 设问 CaCOCaCO3 3 s s CaOCaO s s CO CO2 2 g g 这个反应能否自发进行这个反应能否自发进行 已知已知 H 298K 178 2KJ mol H 298K 178 2KJ mol S 298K 169 6J mol 1 K 1 S 298K 169 6J mol 1 K 1 结论 S O 有利于反应自发进行 自发反应不一定要 S O 熵变是反应能否自发进行的一个因素 但不是唯一 因素 3 复合判据 自由能变化 G H T S 当 G0 时 反应不自发进行 当 G 0 时 平衡状态 温度对反应自发性的情况 类型 H S H T S 反应的自发性 1 永远是 任何温度都是 自发反应 2 永远是 任何温度下都是 非自发反应 3 高温 低温 高温是非自发反应 低温是自发反应 4 高温 低温 高温是自发反应 3 低温是非自发反应 注意点 1 反应的自发性只能用于判断反应发生的方向 不能确定反应是否一定会发生和反 应发生的速率 如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件 其发生腐蚀过程的自发性是相同的 但只有 后者可以实现 2 在讨论过程的方向时 指的是没有外界干扰时体系的性质 如果允许外界对体系施 加某种作用 就可能出现相反的结果 如水泵可以把水从低水位升至高水位 高温高压石墨转化为金刚石的例子 实现后者 的先决条件是要向体系中输入能量 该过程的本质仍然是非自发性的 完成 P42 表 2 5 课堂练习 1 下列过程是非自发的是 D A 水由高处向低处流 B 天然气的燃烧 C 铁在潮湿空气中生锈 D 室温下水结成冰 2 碳酸铵 NH4 2CO3 在室温下就能自发地分解产生氨气 对其说法中正确的是 A A 其分解是因为生成了易挥发的气体 使体系的熵增大 B 其分解是因为外界给予了能量 C 其分解是吸热反应 据能量判据不能自发分解 D 碳酸盐都不稳定 都能自发分解 3 下列说法正确的是 C A 凡是放热反应都是自发的 由于吸热反应都是非自发的 B 自发反应一定是熵增大 非自发反应一定是熵减少或不变 C 自发反应在恰当条件下才能实现 D 自发反应在任何条件下都能实现 4 自发进行的反应一定是 D A 吸热反应 B 放热反应 C 熵增加反应 D 熵增加或者放热反应 第二课时 化学平衡状态 化学平衡常数 一 化学平衡的建立 1 可逆反应 在相同条件下同时能向正反应方向和逆反应方向进行的反应 注 相同条件下的反应 如 2 H2 O2 2 H2O 2 H2 O2 2 H2O 非可逆 有气体参加的必须在密闭容器中 如 敞口容器 CaCO3 CaO CO2 不可逆 密闭容器 CaCO3 CaO CO2 可逆 同时具有正反应速率 逆反应速率 2 化学平衡 引言 初中溶解平衡 书 P43 CO H2O CO2 H2 点燃 电解 催化剂 高温 4 分析 反应刚开始时 反应物和生成物的浓度如何变化 V正 V逆变化 随反应的进行 反应物和生成物的浓度如何变化 V正 V逆变化 当 V正 V逆时 反应物的浓度和生成物的浓度是否再变化 1 定义 化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应里 正反应和逆反应速率相等 反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态 注 化学平衡的特征 动 等 定 变 A 反应平衡时 V正 V逆 0 是动态平衡 V正 V逆是指同一个特定的物质 的正 反速率 B 反应混合物中 各物质的浓度不再改变 百分含量保持不变 但平衡时 各 物质的浓度不一定相等 C 外界条件变化时 原有平衡被破坏 出现新的平衡 提问 1 某化学反应达到平衡时反应物的浓度等于生成物的浓度 是否正确 2 化学反应达到平衡时 反应停止了 所以各物质的百分含量保持不变 这句话 对吗 例 1 二氧化氮在加热条件下能够分解成一氧化氮和氧气 该反应进行到 35 s 时 达 到平衡 NO2浓度约为 0 010 图中曲线表示二氧化氮分解反应在前 20 s 内 L mol 的反应进程 若反应延续至 60 s 请在图中用实线接着画出 20 s 60 s 的反应进程曲线 若在反应开始时加入催化剂 其他条件都不变 请在图上用虚线画出加入催 化剂后的反应进程曲线 2 化学平衡的判断 直接标志 A V正 V逆 B 各组分的 m n 不变 C 通过含量 各组分的质量分数 物质的量分数 恒温 衡压下 气 体的体积分数不变 V逆 V 正 V正 V逆 达到平衡 v t mol t 生成物 反应物 时间 s 102030405060 浓度 L mol 0 010 0 020 0 030 时间 s 102030405060 浓度 L mol 0 010 0 020 0 030 5 D 通过浓度 各组分的浓度不变 间接标志 A 通过总量 前提 气体反应 0 时 体系的 n 总 p 总 v 总 不变 B 通过复合量 不变 M C 其他 如平衡体系颜色不变 实际是有色物浓度不变 例 1 在一定温度下 可逆反应 4A 气 5B 气 4C 气 6D 气 达到平衡的标志是 D A 单位时间内消耗n mol 的 A 同时生成 n mol 的 C B 单位时间内消耗 4n mol 的 A 同时生成 5n mol 的 B C A B C D 的分子数之比为 4 5 4 6 D 容器的总压强不随时间而变化 2 在一定温度下 可逆反应 A2 g B2 g 2AB g 达到平衡的标志是 C A 容器的总压强不随时间而变化 B 单位时间内有n mol A2生成同时就有n mol B2生成 C 单位时间内有n mol A2生成同时就有2n mol AB 生成 D 单位时间内有n mol B2发生反应同时就有n mol AB 分解 3 下列哪种说法可以证明反应 N2 3 H2 2 NH3 已达平衡状态 AD A 一个 N N 健断裂的同时 有三个 H H 健形成 B 一个 N N 健断裂的同时 有三个 H H 健断裂 C 一个 N N 健断裂的同时 有六个 N H 健形成 D 一个 N N 健断裂的同时 有三个 H H 健断裂 4 H2 气 I2 气 2HI 气 已经达到平衡状态的标志是 c H2 c I2 c HI c H2 c I2 c HI 1 1 2 c H2 c I2 c HI 不再随时间而改变 单位时间内生成n molH2的同时生成 2n mol HI 单位时间内生成n molH2的同时生成n mol I2 反应速率v H2 v I2 v HI 2 1 一个 H H 键断裂的同时有两个 H I 键断裂 温度和体积一定时 容器内压强不再变化 温度和体积一定时 混合气体的颜色不再变化 温度和压强一定时 混合气体的密度不再变化 11 条件一定 混合气体的平均相对分子质量不再变化 5 常温下 将A molNO2置于一体积可变的密闭容器中 保持压强恒定 发生反应 2NO2 气 N2O4 气 达到平衡后 测得混合气体对氢气的相对密度为 6 28 75 求 NO2的转化率 解析 巧解 差量法 设原有 NO21mol 2NO2 N2O4 n 2 mol 1 mol x 1 mol mol g g 225 28 46 x 0 4 mol 40 二 化学平衡常数 数据分析 书 P44表 2 6 定义 对反应m A n B p C q D 平衡常数 K nm qp BcAc DcCc 注 1 任一可逆反应 K 仅与温度有关 与浓度无关 即温度不变则 K 定值 2 K 意义 表示反应的程度 K 越大 反应进行的程度越大 即原料转化率越大 3 K 与反应的起始方向无关 通过反应常数 K 与平衡常数的比较 可判定反应 方向 反应状态 K K 平衡状态 K K 向逆反应方向进行 K K 向正反应方向进行 4 反应中有固体和纯液体的 其浓度不随反应而变化 因此其浓度不计算在表达 式中 如 CaCO3 s CaO s CO2 g K c CO2 CO2 g H2 g CO g H2O l K 22 HcCOc COc 5 稀溶液中反应物有水参加 水的浓度也不计算在内 如 Cr2O72 H2O 2 CrO42 2 H K 2 72 222 4 OCrc HcCrOc 6 对同一个化学反应 不同的化学方程式对应不同的平衡常数关系及平衡常数 如 N2O4 g 2 NO2 g K 42 2 2 ONc NOc N2O4 g NO2 g K 2 1 2 1 42 2 ONc NOc 7 对于气体反应 可以用平衡时物质的量浓度表示 也可以用平衡时气体的分压 表示 N2O4 g 2 NO2 g K 42 2 2 ONp NOp 7 例 1 在某温度下 可逆反应m A n B p C q D 的平衡常数为 K 下列说法正确 的是 AD A K 越大 达到平衡时 反应进行的程度越大 B K 越小 达到平衡时 反应物的转化率越大 C K 随反应物浓度的改变而改变 D K 随温度的改变而改变 E K 越大 反应的速率越大 2 现由可逆反应 CO 气 H2O 气 CO2 气 H2 气 H 在 850 时 K 1 若温度升高至 950 反应达到平衡时 K 1 解析 K 值越大表示反应越易向正反应方向进行 升温反应逆反应方向移动即不易向 正反应方向进行 850 时在固定容积的密闭容器中放入混合物 起始浓度c CO 0 01mol L c H2O 气 0 03mol L c CO2 0 01mol L c H2 0 05mol L 则反应开始时 H2O 气 的消耗速率比生成速率 小 大 小 不确定 解析 反应常数 K 1 即反应要向 K 1 的方向进行只 2 22 OHcCOc HcCOc 03 0 01 0 05 0 01 0 能使分子减小 分母增大即向逆反应进行 850 时 若将 中 H2O 起始浓度增加到 0 1mol L 则反应向 填正反应 逆反应 方向进行 达到平衡时 CO 解析 反应常数 K 1 正反应方向进行 2 22 OHcCOc HcCOc 1 001 0 05 0 01 0 温度不变即 K 不变 CO 气 H2O 气 CO2 气 H2 气 起始浓度 0 01 0 1 0 01 0 05 变化浓度 x x x x 平衡浓度 0 01 x 0 1 x 0 01 x 0 05 x K 1 得 CO 2 22 OHcCOc HcCOc 1 0 01 0 05 0 01 0 xx xx 保持容器温度 体积不变 若在容器中充入适量的 H2 则重新达到平衡时 CO 的 反应速率比充 H2之前 增大 大 小 不确定 理由是什么 解析 增大任一反应物或生成物的浓度 化学反应速率都增大 3 在一定条件下 氨气和氮氧化物 NOn 能发生氧化还原反应 将一定量的氨气和 氮氧化物充入一真空的恒容密闭容器中 保持温度不变 使反应达到平衡 配平化学方程式 NH3 气 NOn 气 N2 气 H2O 气 解析 4nNH3 气 6NOn 气 2n 3 N2 气 6nH2O 气 分析氨气的反应速率v与时间t的关系如图所示 已知 m 0 22mol L min p 250 反应中氨气的瞬时速率与氨气的存留浓度的关系为v c NH3 1 6 数据 在下表 中填入v和c NH3 t min v NH3 mol L min c NH3 mol L 00 22 v NH3 t1 2 3 4 511 6 7 8 9 10 m v m p 为常数 2 2 1 t p 8 5 平衡时 解析 由图可知 该反应在t 9 min 时达到平衡 另外由 速率 时间关系v m 知v m 又氨气的瞬时速率与氨气的存 2 2 1 t p 2 2 1 t p 留浓度的关系为v c NH3 1 6 联立求解 t min v NH3 mol L min c NH3 mol L 00 221 32 50 171 02 平衡时 0 0580 34 若起始时混合气体总浓度为 2 5mol L 在恒温恒容条件下达到平衡时 测得压强是 反应前的 1 28 倍 则 NOn中的 n 是多少 解析 由 可知