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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
6.2.1 化学反应的限度 化学反应条件的控制
1、认识可逆反应存在限度；
2、理解化学平衡状态的特征；判断反应是否达到平衡；
3、认识控制反应条件在生产和科学研究中的作用。
化学平衡状态的特征
化学平衡状态的特征
炼铁高炉尾气之谜
开始，炼铁工程师们认为是CO与铁矿石接触不充分造成的，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的CO比例竟然没有改变。
炼制1 t 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所需用量，从高炉炉顶出来的气体中总是含有未利用的CO气体。
高炉炼铁原理：
C+O2 CO2
点燃
C+CO2 2CO
高温
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
高温
(放出热量)
(吸收热量)
高炉炼铁原理：
为什么增加炼铁高炉的高度不能改变高炉尾气中的CO比例呢？
C+O2 CO2
点燃
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
高温
可逆反应
直到19世纪下半叶，法国化学家勒夏特列经过深入的研究，才将这一谜底揭开。
研究证明，
在高炉中Fe2O3与CO反应也不能全部转化为Fe和CO2
C+CO2 2CO
高温
C+CO2 2CO
高温
一、化学反应的限度
1.可逆反应
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
双向性
双同性
共存性
正、逆反应是在同一条件下同时进行的
反应物和生成物同时存在，反应物转化率小于100%
反应物
生成物
正向反应
逆向反应
【方程式特征】用可逆号“ ” 表示。可逆号上下写反应条件。
定义
正反应：反应物→生成物
逆反应：生成物→反应物
N2+3H2 2NH3
催化剂
高温高压
2SO2+O2 2SO3
催化剂
高温
√
√
×
1. 以下几个反应是否是可逆反应？为什么？
2. 14CO2 + C CO，达到化学平衡后，平衡混合物中含14C 的粒子有 。
Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
放电
充电
×
2H2O
H2↑+O2 ↑
电解
点燃
14CO2、14C、14CO
一、化学反应的限度
2.化学反应平衡状态的建立
【思考与交流】
（1）反应刚开始时， v正 、v逆 为何值？
（2）随着反应的进行，反应物和生成物的浓度如何改变？速率如何变化？
（3）v正 递减、v逆 递增将导致二者之间出现什么的结果？
（4）在v正 = v逆 后，v正会继续减小吗？v逆 会继续增大吗？反应物和生成物的浓度呢？
在一固定容积的密闭容器里，加 1 mol N2和 3 mol H2 (合适催化剂)，能发生什么反应？生成2 mol NH3？
N2+3H2 2NH3
催化剂
高温高压
一、化学反应的限度
2.化学反应平衡状态的建立
反应速率
时间（t）
0
动态平衡
v(正)
=
v(正)
v(逆)
≠0
浓度
时间（t）
0
c(H2)
c(N2)
c(NH3)
c(H2)
c(N2)
c(NH3)
表面静止的状态
v(逆)
①该反应可分为三个阶段：
②速率—时间图像：
开始时：c(反应物)最大，v(正)最大；
c(反应物)=0，v(逆)最小
进行中：c(反应物)逐渐减小，v(正)逐渐减小；
c(生成物)逐渐增大，v(逆)逐渐增大；
一段时间后：v(正)=v(逆)，c(反应物)、c(生成物)保持不变
v正 = v逆 ≠ 0
一、化学反应的限度
在一定条件下，可逆反应中，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应物的浓度和生成物的浓度都不在改变。达到了一种表面静止的状态，我们称为“化学平衡状态”
化学平衡状态是可逆反应在一定条件下能达到的或完成的最大“限度”
【思考与交流】
(1) 达化学平衡的反应中，如何理解正逆反应速率相等？
(2) 当一个可逆反应达到平衡时，各物质的浓度保持不变，这时反应停止了吗？
可逆反应中 v正 = v逆 是针对同一物质而言的
化学反应限度决定了反应物在该条件下的最大转化率
达到动态平衡, 此时反应仍在继续
3.化学反应平衡状态
一、化学反应的限度
4.化学平衡状态的特征
逆、等、动、定、变
(1) 逆：讨论的对象是可逆反应 (前提)
(2) 等：同一物质 v正 = v逆≠0 (实质)
(3) 动：化学平衡是一种动态平衡。化学反应达到平衡时，反应并没有停止。
(4) 定：在平衡混合物中，各组成成分的含量保持不变 (标志)（不是相等）
(5) 变：化学平衡状态是有条件的，当影响化学平衡的外界条件发生改变，
化学平衡就会被破坏，在新的条件下建立新的化学平衡。
一、化学反应的限度
4.化学平衡状态的判断
直接依据：速率相等 v正=v逆≠0
间接依据：变量不变
????A:????B:????C:????D = a : b : c : d 不一定平衡
?
直接依据
正逆反应
速率相等
浓度不再改变
不同物质：速率之比＝化学计量数之比，一定平衡
但必须是不同方向的速率 ????????(A)正＝????????(B)逆
?
各组分的浓度不再变化一定平衡
各组分的n/m/V/n%、m%、V%不再变化 一定平衡
同一物质：生成速率＝消耗速率一定平衡，????(A)正＝????(A)逆
?
不是相等，
也不是成一定的比值
相同t内，生成 2mol SO3 同时消耗 1mol O2
相同t内，生成 2mol SO2 同时消耗 2mol SO2
1mol N≡N键断裂的同时，有6mol N－H键断裂
1mol N≡N键断裂的同时，有6mol N－H键形成
直接依据：
① 由化学平衡本质 v正 = v逆 ，即 v生成 = v消耗 ，方向相反
2SO2 + O2 2SO3
催化剂
X
相同物质看正逆、不同物质成比例
N2+3H2 2NH3
X
N2的消耗速率与N2的生成速率
N2的消耗速率与NH3的 速率之比等于 ，
H2的生成速率与NH3的 速率之比等于 。
相等
消耗
1:2
3:2
生成
达到平衡的标志是:
v(H2)： v(N2) =3:1
可否判断反应达平衡？
不可以！！！因为任何时刻速率比都等于系数比
一、化学反应的限度
间接依据---变量不变
(1)选变量:选定反应中的变量,即随反应进行而变化的量。
如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对于反应体系中不都是气体的反应来说,恒容时混合气体的密度等。
(2)定平衡:变量不再变化时,反应达到平衡状态。
一、化学反应的限度
p不变
M不变
ρ不变
p不变
M不变
ρ不变
H2(g)+ I2(g) 2HI(g)
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
高温、高压
催化剂
Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g)
高温
C(s)+CO2(g) 2CO(g)
高温
不一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
一定平衡
一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
在恒容的容器内发生下列四个反应，当达到下列条件时是否一定达到平衡状态？
① ⑤ ⑥ ⑧
在一定温度下，在恒容的容器中充入2 mol SO2和1 mol O2发生反应：
2SO2＋O2 2SO3。一段时间后，该反应达到化学平衡，
下列能说明达到化学平衡状态的是_________________ (填序号)。
①v正(SO2)＝2v逆(O2) ②v(SO2)＝v(SO3)
③单位时间内消耗a mol SO2，同时生成a mol SO3
④SO2、O2和SO3的浓度之比为2∶1∶2
⑤混合气体的总的物质的量不再改变
⑥混合气体的压强不再改变 ⑦混合气体的密度不再改变
⑧混合气体的平均相对分子质量不再改变
二、化学反应条件的控制
在生产和生活中，人们希望促进有利的化学反应（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（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），这就需要进行化学反应条件的控制。
二、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。
催化剂
高温、高压
N2 + 3H2 2NH3
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。
二、化学反应条件的控制
（1）关于人类需要或对人类有利的化学反应
升高反应温度、使用催化剂等增大反应速率，以提高生产或工作效率；
增大廉价反应物的浓度、或增大气体反应物的压强，以提高原料的利用率或转化率。
（2）关于有害或人类不需要的化学反应
降低反应温度、使用负催化剂等，降低反应速率；
隔离会引发反应的物质，如在金属表面形成保护层、森林火灾时制造隔离带等。
（3）关于特定环境或特殊需要的化学反应
对反应条件进行特殊的控制，如定向爆破、火箭发射等。
化学反应条件的控制
为提高燃料的燃烧效率，应如何调控燃烧反应的条件？（提示：可以从以下几方面考虑，如燃料的状态、空气用量、炉膛材料、烟道废气中热能的利用，等等。）
(1)燃料燃烧的条件
①燃料与空气接触；
②温度达到燃料的着火点。
(2)燃料充分燃烧的条件
①要有足够的空气或氧气(助燃剂)；
②燃料与空气或氧气要有足够大的接触面积。
(3)燃料充分燃烧的意义
①使有限的能量发挥最大的作用，节约能源；
②降低污染程度。
延时符
化学反
应的限度
可逆反应在一定条件下达到的一种特殊的化学平衡状态，即为该反应在该条件下进行的限度。
目的：促进有利的化学反应、抑制有害的化学反应
措施：改变化学反应速率、改变可逆反应进行的限度
定义
可逆反应
平衡状态
定义：在同一条件下既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行的化学反应。
特点：双向性、双同性、共存性。
条件控制
直接判据：①正逆反应速率相等；②各物质浓度不变。
间接判据：（变量不变）百分含量、物质的量、压强、平均相对分子质量、密度、颜色不随时间改变。
定义：一定条件下，可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物浓度不再改变的状态
特点：逆、动、等、定、变。
平衡 判断
1．下列反应中可判断为可逆反应的是（ ）
A.氢气在氯气中燃烧生成氯化氢，氯化氢受热分解生成氢气和氯气
B.氮气与氢气在高温、高压、催化剂作用下可以生成氨气，同时氨
气又分解为氮气和氢气
C.单质溴可以置换出碘，氯气又可以置换出溴
D.氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，次氯酸在光照条件下可分解为
盐酸和氧气
B
2．下列关于化学反应限度的说法正确的是（ ）
A.当一个可逆反应达到平衡状态时，就是这个反应在该条件下所能达
到的限度
B.可以通过延长化学反应时间改变化学反应限度
C.平衡状态是一种静止的状态，因为反应物和生成物的浓度不再改变
D.化学反应的限度不可以通过改变条件而发生改变
A
A
3．在一定条件下发生反应 2SO3(g) 2SO2(g)＋O2(g)，将2 mol SO3
通入2 L容积恒定的密闭容器甲中，若维持容器内温度不变，5 min末
测得SO3的物质的量为0.8 mol。则下列说法正确的是( )
A．0~5min，SO2的生成速率v(SO2)=0.12mol·L－1·min－1
B．若起始时充入3 mol SO3，起始时SO3分解速率不变
C．若某时刻消耗了1 molSO3同时生成了0.5molO2，则表明该反应
达到了平衡状态
D．达到平衡时，SO2和SO3的浓度相等
4．将煤块粉碎、经脱硫处理、在适当过量的空气中燃烧，这样处理
的目的是(　　)
①使煤充分燃烧，提高煤的利用率
②减少SO2的产生，避免造成“酸雨”；
③减少有毒CO的产生，避免污染空气；
④减少CO2的产生，避免“温室效应”
A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②③④
A
化学反应速率与限度的图像分析
化学反应速率与化学反应限度问题常以图像题的形式出现，在平面直角坐标系中，可能出现反应物的物质的量、浓度、压强、时间等因素。这类问题可按照“一看、二想、三判断”这三步来分析解答。
(1)“一看”——看图像
①看面，弄清楚横、纵坐标所表示的含义。
②看线，弄清楚线的走向和变化趋势。
③看点，弄清楚曲线上点的含义，特别是曲线折点、交点、最高点、最低点等。
④看辅助线，做横轴或纵轴的垂直线(如等温线、等压线、平衡线等)。
⑤看量的变化，弄清楚是物质的量的变化、浓度的变化还是转化率的变化。
化学反应速率与限度的图像分析
(2)“二想”——想规律
如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系，用各物质表示的化学反应速率之比与化学计量数之比的关系，外界条件的改变对化学反应速率的影响规律以及反应达到平衡时外界条件改变对正、逆反应速率的影响规律等。
(3)“三判断”
利用有关规律，结合图像，通过对比分析，作出正确判断。
在温度和容积不变的密闭容器中，A气体与B气体反应生成C气体。反应过程中，反应物与生成物的浓度随时间变化的曲线如图所示，则下列叙述正确的是
A.该反应的化学方程式为A(g)＋3B(g) 2C(g)
B.到达t1 s时，该反应停止
C.(t1＋10)s时，升高温度，正、逆反应速率均增大
D.若该反应在绝热容器中进行，也在t1 s时达到平衡
√

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