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第六章 化学反应与能量
第二节 化学反应的速率与限度
课时2 化学反应的限度
课堂导入
关于高炉炼铁大家一定不会陌生，其中发生的主要反应为：Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
产生CO的反应为：
C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO
生产中炼制生铁所需要的焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算的所需量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO。
开始，炼铁工程师们认为是CO与铁矿石没有充分接触导致的，于是设法增加了高炉的高度。然而，高炉增高后，尾气中CO的比例还是没有改变，这便成了炼铁技术中的科学悬念，人们一直在探究其中的原因。
直到19世纪下半叶，法国化学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一谜底解开，原来是因为C和CO2的反应是一个可逆反应，并且自下而上的发生在高炉中有焦炭的地方。不仅如此，高炉中Fe2O3和CO 的反应也并不能完全转化。
课堂学习
化学反应的限度
可逆反应：在同一条件下，正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应，书写时应使用 。
化学反应是按照化学方程式中的计量关系进行的，我们正是据此进行有关化学方程式的计算。而刚才的故事告诉我们，一个化学反应在实际进行时(如化学实验、化工生产等)，反应物不一定会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物，其原因是很多反应属于可逆反应。目前来说，我们接触过的可逆反应有哪些？
Cl2 + H2O HCl + HClO
SO2 + H2O H2SO3
2SO2 + O2 2SO3
2N2 + 3H2 2NH3
NH3 + H2O NH3·H2O
课堂学习
根据表中数据，该反应在不同时段的反应速率有什么特点，50分钟后反应是否已经停止？
化学反应的限度
时间(min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80
c(SO2) 10 6 3 2 1.2 1 1 1 1
c(O2) 5 3 1.5 1 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5
c(SO3) 0 4 7 8 8.8 9 9 9 9
在某刚性密闭容器中发生反应：2SO2 + O2 2SO3，各物质浓度随反应时间变化如下表：
对于正反应来说，反应刚开始时反应物浓度最大，反应速率最快，随反应进行逐渐下降；
对于逆反应来说，反应刚开始时生成物浓度为零，反应速率为零，随反应进行逐渐上升。
50分钟后，反应物和生成物均有剩余，反应不会停止，但正、逆反应速率会相等。
课堂学习
如何用图像描述反应速率的变化？
化学反应的限度
反应开始时 反应进行时 反应50min后
宏观 物料角度 c(反应物) > 0 c(反应物) 减小 c(反应物) 不变
c(生成物) = 0 c(生成物) 增大 c(生成物) 不变
微观 速率角度 v正 > 0 v正 减小 v正 不变 v正 = v逆 ≠ 0
v逆 = 0 v逆 增大 v逆不变
反应开始时 反应进行时 反应50min后
宏观 物料角度
微观 速率角度
若是用各组分物质的量浓度图像表示，应该如何绘制呢？
课堂学习
在一定时间后，反应进行到了一定程度，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，达到了一种表面静止的状态，我们称之为化学平衡状态，简称为化学平衡。
化学反应的限度
化学平衡：在一定条件下的可逆反应中，当正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。
适用对象：可逆反应；
内在本质：v(正) = v(逆) ≠ 0；
外在表现：反应体系混合物中各组分的浓度保持不变。
课堂学习
化学反应的限度
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限度，即该化学反应进行的限度，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。
转化率：已被转化的反应物的物质的量与其初始物质的量之比。
任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度，只不过不同反应的限度不同。而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。
你能总结得出可逆反应达到化学平衡状态时具有哪些特征吗？
课堂学习
化学平衡状态的特征
化学反应的限度
那么如何判断一个可逆反应是否达到了化学平衡状态呢？
等： 正反应速率和逆反应速率相等；
定：反应体系混合物中各组分的浓度保持不变。
课堂学习
在判断可逆反应是否达到化学平衡状态时，可以从“等”和“定”两个角度进行分析。
化学平衡的判断
“等”指的是正逆反应速率相等，即所有能代表正逆反应速率相等的条件都可以作为判断依据，如反应速率的数值、某时间段内的物质的量变化量、成键与断键的数量，但一定要牢记“有正有逆，符合比例”的关系原则。
课堂学习
对于反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)，下列哪些条件可以说明反应达到了化学平衡状态？
化学反应的限度
生成1mol N2的同时，消耗了2mol NH3
生成1mol N2的同时，消耗了1mol N2
v(N2) : v(H2) : v(NH3) = 1 : 3 : 2
2v正(H2) = 3v正(NH3)
1mol N ≡ N断裂的同时，有6mol N—H断裂
×
√
×
×
√
有正有逆
符合比例
课堂学习
“定”指的是各组分浓度不再改变，即“变量不变”的原则，需要注意的是，原本就不改变的物理量不可以作为判断平衡的依据，另外各组分浓度不变也需要和各组分浓度相等、成一定比例作好区分。
“定”的考核形式多种多样，可以从各组分的物质的量或物质的量分数、各组分质量或质量分数、气体体积或体积分数、反应体系的颜色、甚至是平均相对分子质量等方面判断，但不论哪个方面，都应该从“变量不变”的角度去判断。
化学反应的限度
课堂学习
例如对于反应2NO2(红棕色) N2O4(无色)，下列哪些条件可以判断反应达到平衡状态？
化学反应的限度
容器内氮气的物质的量不再改变
容器内颜色不再改变
恒容条件下，容器内压强不再改变
恒容条件下，容器内气体密度不再改变
恒容条件下，容器内平均相对分子质量不再改变
恒压条件下，容器内平均相对分子质量不再改变
√
×
√
√
√
√
平均相对分子质量:
m总
M = ———
n总
课堂学习
化学反应的限度
课堂学习
在生产和生活中，人们希望促进有利的化学反应，如提高反应速率、提高反应物的转化率(即原料的利用率)，抑制有害的化学反应，如降低反应速率、控制副反应的发生、减少甚至消除有害物质的产生，这些都需要进行化学反应条件的控制。
化学反应条件的控制
在实际的化工生产中调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的成本和实际可能性。
课堂学习
例如工业合成氨的反应 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ，我们需要如何控制反应的条件？
化学反应条件的控制
因此，工业合成氨的条件一般温度选择400-500℃，压强选择10-30MPa，催化剂选用铁触媒。
课堂巩固
正误判断
1. 可逆反应达到平衡状态时，各组分浓度相等。
4. 可逆反应建立了平衡状态之后，化学反应便会停止。
2. 与外界没有热量交换时，反应体系温度不变即平衡。
3. 一定条件下，可以延长反应时间增大反应物转化率。
×
√
×
×
课堂巩固
下列说法中可以证明2HI(g) H2(g) + I2(g)(紫色)已达到平衡状态的是___________。
① 单位时间内生成 n mol H2 的同时生成 n mol HI
② 一个H-H键断裂的同时有两个H-I键断裂
③ 反应速率 v(H2) = v(I2) 时
④ c(HI) : c(H2) : c(I2) = 2 : 1 : 1时
⑤ 温度和体积一定，容器内压强不再变化时
⑥ 温度和体积一定，混合气体的颜色不再变化时
⑦ 条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化时
⑧ 温度和压强一定，混合气体的密度不再变化时
② ⑥
课堂小结
谢谢观看
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