新教材高中化学学案专题6第1单元第2课时化学反应的限度

第2课时化学反应的限度发展目标体系构建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。2.初步学会根据反应速率判断化学反应所能达到的限度及化学反应限度的建立。一、化学反应的限度1．可逆反应(1)概念：在同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的化学反应。(2)特征：反应不能进行到底，或者在一定条件下反应物与生成物同时存在。在书写化学方程式时，可逆反应用符号“”表示。常温下，在0.1mol·L－1醋酸水溶液中，大约只有1%的醋酸分子电离成H＋和CH3COO－，绝大多数仍以CH3COOH的形式存在，所以醋酸是一种弱酸。请用电离方程式表示上述过程，并用文字解释其特征。[提示]CH3COOHCH3COO－＋H＋。该过程是一个可逆过程。2．(1)实验验证：已知KSCN溶液遇Fe3＋变为红色，该反应可以用于溶液中Fe3＋的检验。常温下FeCl3溶液和KI溶液能发生反应：2Fe3＋＋2I－=2Fe2＋＋I2。实验步骤实验现象实验结论向5mL0.1mol/LKI溶液中加入1mL0.1mol/LFeCl3溶液并振荡溶液由无色变成黄褐色有碘单质生成向充分反应后的溶液中加入2mL苯，振荡后静置液体分层，下层呈浅绿色，上层呈紫红色Fe3＋被还原成Fe2＋，I－被氧化成I2取下层溶液，滴加KSCN溶液溶液呈红色下层溶液中含有Fe3＋(2)反应实质：由实验可知，反应物Fe3＋(I－过量条件下)不能完全转化为生成物(Fe2＋)，即Fe3＋与I－发生的反应是有一定限度的；Fe3＋与I－发生反应的离子方程式为2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2。把1molN2和3molH2充入密闭容器中充分反应，最终可以生成2molNH3吗？[提示]不能；因为该反应为可逆反应，反应不能进行到底，故不能生成2molNH3。二、化学平衡状态1．化学平衡的建立对于可逆反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，其化学反应速率与时间的关系如图所示。①反应开始时，正反应速率最大，原因是反应物浓度最大；逆反应速率为0，原因是生成物浓度为0；②反应进行中，正反应速率的变化是逐渐减小，原因是反应物浓度逐渐减小；逆反应速率的变化是逐渐增大，原因是生成物浓度逐渐增大；③反应一段时间(t1)后，正反应速率和逆反应速率的关系是大小相等，反应物的浓度不再改变，生成物的浓度不再改变。在一定条件下，在固定体积的密闭容器中加入一定物质的量的SO2、和O2气体，两者发生反应生成SO3气体。请描述从反应开始至平衡状态时各物质浓度的变化和正、逆反应速率的变化。[提示]反应开始时，SO2和O2气体浓度最大，正反应速率最大；SO3气体浓度为0，逆反应速率为0。反应进行中，SO2和O2气体浓度逐渐减小，正反应速率逐渐减小；SO3气体浓度逐渐增大，逆反应速率逐渐增大。反应一段时间后，正反应速率和逆反应速率大小相等，各物质浓度不再改变。2．化学平衡状态(1)化学平衡状态的概念：如果外界条件(温度、浓度、压强等)不发生改变，当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，反应物的浓度与生成物的浓度不再发生改变，达到一种表面“静止”的状态，称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。(2)化学平衡状态的特征3．影响化学反应的限度的因素(1)决定因素：化学反应的限度首先取决于反应物的化学性质。不同的可逆反应在给定条件下的化学反应限度不同，反应物的最大转化率不同。(2)外界因素：化学反应的限度受温度、浓度、压强等条件的影响。改变其中的一个条件，可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。在一定条件下，一个可逆反应进行到最大限度，也就是达到化学平衡状态，这时正、逆反应都停止了吗？[提示]可逆反应达到化学平衡状态，反应并没有停止，正、逆反应仍在进行，只是正、逆反应速率相等。1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)通过改变反应条件，可逆反应中反应物的转化率可达到100%。 (×)(2)SO2和O2的反应可写为2SO2＋O2eq\o(=,\s\up10(催化剂),\s\do8(△))2SO3。 (×)(3)CaO＋CO2=CaCO3和CaCO3eq\o(=,\s\up10(高温))CaO＋CO2↑属于可逆反应。 (×)(4)化学反应达到最大限度时，正、逆反应速率相等。 (√)2．一定温度下，可逆反应A(g)＋3B(g)2C(g)未达到平衡的是()A．C的生成速率与C的分解速率相等B．单位时间生成nmolA同时消耗4nmolBC．A、B、C的浓度不再变化D．C的百分含量达到最大值B[化学平衡的标志是正反应速率与逆反应速率相等。C的生成速率是正反应速率，C的分解速率是逆反应速率，A项达到平衡；A、B、C各物质的浓度不变化，是平衡状态的宏观表现，C项达到平衡；逆反应生成nmolA，同时生成3nmolB，对于正反应却消耗了4nmolB，说明v正>v逆，反应向正反应方向进行，B项未达到平衡；C的百分含量达到最大值，说明反应达到最大限度，D项达到平衡。]3．当可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡后，通入18O2，再次达到平衡时，18O存在于____________。[解析]化学平衡是动态平衡，SO2和18O2反应生成了S18O3，S18O3又分解生成S18O2和18O2，故平衡混合物中含18O的粒子有S18O2、18O2、S18O3。[答案]SO2、O2和SO3化学平衡状态的标志(素养养成——宏观辨识与微观探析)德国化学家哈伯(F.Haber,1868～1934)从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨。于1908年申请专利，即“循环法”，在此基础上，他继续研究。于1909年改进了合成方法，氨的产率达到8%。这是工业普遍采用的直接合成法。合成氨的反应式为：N2＋3H22NH3，假设该反应在体积不变的密闭容器中发生反应，分析思考下列问题：[问题1]容器内混合气体的密度不随时间变化时，该反应是否达到平衡状态？[提示]因容器的体积不变，而混合气体的总质量不改变，则无论平衡与否，混合气体的密度均不变，不能判断反应是否达到平衡状态。[问题2]根据上面问题分析哪些物理量能够作为合成氨反应达到平衡的标志？[提示]压强、浓度等随着反应进行而变化的物理量，如果不再变化，则说明反应已经达到平衡状态。[问题3]单位时间内生成2amolNH3，同时消耗amolN2[提示]两反应速率均表示正反应速率，反应进行的任何阶段均成比例，不能判断反应是否达到平衡状态。1．直接标志——“正逆相等”(1)v正＝v逆①同一种物质的生成速率等于消耗速率；②在化学方程式同一边的不同物质的生成速率与消耗速率之比等于化学计量数之比；③在化学方程式两边的不同物质的生成(或消耗)速率之比等于化学计量数之比。(2)各组分的浓度保持一定①各组分的浓度不随时间的改变而改变；②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．间接标志——“变量不变”(1)反应体系中的总压强不随时间的改变而变化(适用于反应前后气体体积不等的反应)。(2)对于反应混合物中存在有颜色变化的物质的可逆反应，若体系中颜色不再改变，则反应达到平衡状态。(3)全是气体参加的且反应前后化学计量数改变的可逆反应，平均相对分子质量保持不变。(4)对同一物质而言，断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。1．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．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，反应体系中H2与N2的物质的量之比保持1∶3D[恒温、恒容下，反应体系中气体的颜色保持不变，说明溴单质的浓度不再变化，达到了平衡状态，A不符合题意；2NO2(g)N2O4(g)是前后气体系数和变化的反应，恒温、恒容下，反应体系中气体的压强保持不变，达到了平衡状态，B不符合题意；CaCO3(s)CO2(g)＋CaO(s)恒温、恒容下，反应体系中气体的密度等于气体质量和体积的比值，质量变化，体积不变，所以密度变化，当气体密度保持不变时，达到了平衡状态，C不符合题意；3H2(g)＋N2(g)2NH3(g)反应体系中H2与N2的物质的量之比保持1∶3，不能证明正、逆反应速率相等，不一定是平衡状态，D符合题意。]2．可逆反应：2NO22NO＋O2在体积固定的密闭容器中进行，达到平衡状态的标志是()①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO③用NO2、NO、O2表示的反应速率的之比为2∶2∶1的状态④混合气体的颜色不再改变的状态⑤混合气体的密度不再改变的状态⑥混合气体的压强不再改变的状态⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态A．①④⑥⑦ B．②③⑤⑦C．①③④⑤ D．全部A[①中单位时间内生成nmolO2的同时必消耗2nmolNO2，知v正＝v逆，所以①能说明达到平衡状态；②所描述的都是指正反应方向的速率，无法判断；③无论达到平衡与否，物质的反应速率之比均等于化学方程式中物质的化学计量数之比；④有色气体的颜色不变能够说明达到了化学平衡；因容器体积固定，密度是一个常数，所以⑤不能说明达到平衡状态；该反应是一个反应前后气体体积不等的反应，容器的体积又固定，所以⑥⑦均能说明达到平衡。]利用“变量”与“不变量”来判断化学平衡状态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来说，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来说，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来说，恒容时混合气体的密度等。3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“三段式法”对化学反应速率、化学平衡进行简单计算(素养养成——证据推理与模型认知)解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时，一般需要写出化学方程式，列出起始量、变化量及平衡量，再根据题设其他条件和定律列方程求解。如：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)起始/molab00转化/molmxnxpxqx平衡/mola－mxb－nxpxqx(1)关于反应物转化率的计算A的转化率＝eq\f(A的转化量,A的起始量)×100%(计算式中A的量可以指反应物的物质的量、质量、浓度、体积等)。(2)关于某组分的体积分数的计算A的体积分数＝eq\f(体系中A的物质的量,体系中总的物质的量)×100%。微点拨：(1)转化量与化学方程式中各物质的化学计量数成比例。(2)这里a、b可指物质的量、浓度、体积等。(3)对反应物：平衡时的量＝起始的量－转化的量；对生成物：平衡时的量＝起始的量＋转化的量。3．在容积可变的密闭容器中，2molN2和8molH2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于()A．5% B．10%C．15% D．20%C[达到平衡时，H2转化的物质的量为8mol×25%＝2mol。在一定条件下，N2与H2发生反应：N2＋3H22NH3起始物质的量/mol280转化物质的量/moleq\f(2,3)2eq\f(4,3)平衡物质的量/moleq\f(4,3)6eq\f(4,3)同温同压下，气体的体积之比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为eq\f(\f(4,3)mol,\f(4,3)mol＋6mol＋\f(4,3)mol)×100%≈15%。]4．在一定温度下，发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，起始时，充入的N2和H2的物质的量分别是3.0mol和6.0mol，平衡时生成NH3的物质的量是2.4mol。已知容器的容积为5.0L，试求：(1)H2的转化率是________。(2)平衡时混合气体中N2的体积分数约为________(小数点后保留一位小数)。[解析]N2＋3H22NH3起始/mol3.06.00转化/mol1.23.62.4平衡/mol1.82.42.4(1)H2的转化率＝eq\f(3.6mol,6.0mol)×100%＝60%。(2)N2的体积分数＝eq\f(1.8mol,1.8＋2.4＋2.4mol)×100%≈27.3%。[答案](1)60%(2)27.3%1．下列关于化学平衡状态的叙述错误的是()A．正、逆反应速率相等(不等于0)B．反应混合物各种物质的物质的量不再改变C．正、逆反应停止不再进行D．外界条件改变，反应会在新的条件下达到新的平衡C[在一定条件下，当可逆反应中正、逆反应速率相等(但不等于0)时，各种物质的浓度和含量均不再发生变化，把这种状态称为化学平衡状态。平衡状态是在一定条件下的平衡，如果改变条件，平衡状态会发生变化，达到新的平衡状态。]2．在5mL0.1mol·L－1KI溶液中滴加5～6滴0.1mol·L－1FeCl3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．再滴加AgNO3溶液，观察是否有AgI沉淀产生B．加入CCl4振荡后，观察下层液体颜色C．加入CCl4振荡后，取上层清液，滴加AgNO3溶液，观察是否有AgCl沉淀产生D．加入CCl4振荡后，取上层清液，滴加KSCN溶液，观察是否出现红色D[FeCl3溶液与KI溶液反应的实质是：2Fe3＋＋2I－=2Fe2＋＋I2，由题意知，Fe3＋不足，I－过量。若反应不是可逆反应，反应后的溶液中应无Fe3＋；若反应是可逆反应，则反应后的溶液中含Fe3＋。所以应滴加KSCN溶液，检验Fe3＋是否存在。]3．在一定温度下的恒容密闭容器中，能说明反应X2(g)＋Y2(g)2XY(g)已达到平衡的是()A．容器内的总压强不随时间变化B．容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化C．XY气体的物质的量分数不变D．X2和Y2的消耗速率相等C[该反应的特点：一是可逆反应；二是反应前后气体体积相等。根据气体压强之比等于气体物质的量之比推断，该反应在整个反应过程中总压强是不变的，A项不能说明该反应已经达到平衡；同理推断，容器中气体的平均相对分子质量始终不随时间变化而变化，B项不能说明该反应已经达到平衡；X2和Y2的化学计量数相等，其消耗速率始终相等，D项不能说明该反应已经达到平衡。]4．X、Y、Z三种气体，取X和Y按1∶1的物质的量之比混合，放入密闭容器中发生反应：X(g)＋2Y(g)2Z(g)，达到平衡后，测得混合气体中反应物的总物质的量与生成物的总物质的量之比为3∶2，则Y的转化率最接近于()A．33% B．40%C．50% D．66%D[假设X和Y的物质的量为1mol，达到平衡时消耗Y的物质的量为nmol，则：X(g)＋2Y(g)2Z(g)起始量(mol)110变化量(mol)