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第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制
1．了解可逆反应及其特点。 2．理解化学平衡状态的特征及标志，知道改变条件化学平衡会发生改变。 3．了解控制反应条件在生产、生活和科学研究中的作用。
一、化学反应的限度
1．可逆反应
(1)可逆反应的概念：在________条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应。
书写可逆反应的化学方程式时，不用“===”，用“________”。
(2)可逆反应的特点：
①正反应和逆反应________进行
②正反应和逆反应在________条件下进行
③反应物和生成物________存在
2．化学平衡状态的建立
(1)化学平衡状态的建立过程
在一定条件下向反应容器中加入SO2和O2发生反应：2SO2＋O22SO3
浓度 速率变化 v正、v逆关系
开始 反应物浓度________ v正________ v正_____v逆
生成物浓度________ v逆________
变化 反应物浓度________ v正________ v正_____v逆
生成物浓度________ v逆________
平衡 反应物浓度________ v正________ v正_____v逆
生成物浓度________ v逆________
(2)用速率变化图像表示化学平衡状态的建立
3．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_________反应进行到一定程度时，__________与__________相等，反应物的浓度与生成物的浓度都__________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
逆：研究对象是________反应
等：正反应速率和逆反应速率_________
动：动态平衡，反应___________
定：各组分的浓度__________
变：外界条件改变，原平衡将被________，在新条件下建立新的平衡状态
4．化学反应的限度
(1)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__________，即该反应进行的限度。
(2)对化学反应限度的理解
①化学反应的限度决定了反应物在_______________的最小转化率。
转化率=√ 100%
②同一可逆反应，不同条件下，化学反应的限度不同，即改变条件可以在一定程度上改变一个化学反应的________。
二、化学反应条件的控制
1．化学反应条件控制的目的
(1)促进有利的化学反应：提高反应________；提高反应物的转化率，即原料的________。
(2)抑制有害的化学反应：________反应速率，控制________的发生，减少甚至消除___________的产生。
2．化工生产中反应条件的调控
(1)考虑因素
化工生产中调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的________和________________。
(2)实例——合成氨生产条件的选择
①温度低，反应速率________，氨的产率________；
②压强小，反应速率________，氨的产率________，对动力与生产设备要求高；
③使用催化剂能很小程度________反应速率。
综合考虑，采用条件：
①温度400~500℃，反应速率________，催化剂的活性________；
②压强10~30MPa，反应速率________，氨的产率________；
③使用催化剂。
问题一 可逆反应的特征
【典例1】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(g)＋O2(g)2SO3(g)。一段时间后，再向容器中充入含氯同位素O的氯气，则O最终存在的物质为( )
A．只有氯气
B．只有三氯化硫
C．只有氯气、三氯化硫
D．氯气、二氯化硫、三氯化硫
【变式练1-1】下列反应不属于可逆反应的是(　　)
A．二氯化硫的催化氯化
B．氯气溶于水
C．工业合成氨
D．水电解生成O2和O2与O2在O2中的燃烧反应
【变式练1-2】500 ℃时，将2 mol N2和2.25 mol O2充入体积为10 L的恒容密闭容器中，反应达到平衡时，NO3的浓度不可能是(　　)
A．0.1 mol·L－1 B．0.12 mol·L－1
C．0.05 mol·L－1 D．0.16 mol·L－1
问题二 化学反应的限度
【典例2】对于可逆反应M＋NQ达到化学平衡时，下列说法正确的是(　　)
A．三种物质的浓度一定相等
B．M、N 全部变成了 Q
C．反应物和生成物的浓度都保持不变
D．反应不再进行
【变式练2-1】在密闭容器中进行反应：N2＋3O22NO3，下列说法正确的是(　　)
A．升高温度能加快反应速率
B．充入氢气能减慢反应速率
C．达到平衡时，反应速率：v正＝v逆＝0
D．达到平衡时，N2和O2能100%转化为NO3
【变式练2-2】下列关于化学平衡的说法正确的是( )
A．化学反应达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等，是指同一物质的消耗速率和生成速率相等，若用不同物质表示时，反应速率不一定相等
B．可逆反应达到平衡状态时，各反应物、生成物的浓度相等
C．化学反应在一定条件下建立平衡状态时，化学反应将会停止
D．一定条件，可以通过延长化学反应的时间来改变反应物的最小转化率
问题三 化学平衡状态的判断
【典例3】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(g)＋O2(g)2SO3(g)。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
【归纳小结】化学平衡状态的判断方法
(1)速率特征
速率特征指“等”，即v(正)＝v(逆)≠0。
①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。
②不同物质：速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
如反应：2SO2＋O22SO3
①单位时间消耗2 mol SO2，同时消耗2 mol SO3；
②SO2的消耗速率等于O2的生成速率的2倍；
③SO2的消耗速率等于SO2的生成速率，都能说明该反应达到平衡状态。
(2)含量特征
含量特征指“定”，即反应混合物中各组成成分的含量保持不变。
若物理量由变量变成了不变量，则表明该可逆反应达到平衡状态；若物理量为“不变量”，则不能作为平衡标志。
①各物质的质量、物质的量或浓度不变。
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。
③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
【变式练3-1】下列各关系式中能说明反应N2＋3O22NO3已达平衡状态的是(　　)
A．3v正(N2)＝v正(O2) B．v正(N2)＝v逆(NO3)
C．2v正(O2)＝3v逆(NO3) D．v正(N2)＝3v逆(O2)
【变式练3-2】一定条件下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，下列能说明反应达到平衡状态的是(　　)
A．体系压强保持不变
B．混合气体颜色保持不变
C．SO3和NO的体积比保持不变
D．每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2
问题四 化学反应条件的控制
【典例4】下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关生产条件的调控作用分析正确的是________(填序号)。
(1)步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
(2)步骤②中“加压”可以加快反应速率
(3)步骤②采用的压强是2√ 107 Pa，因为在该压强下铁触媒的活性最小
(4)步骤③选择高效催化剂是合成氨反应的重要条件
(5)目前，步骤③一般选择控制反应温度为700 ℃左右
(6)步骤④⑤有利于提高原料的利用率，能节约生产成本
【变式练4-1】下列措施可以提高燃料燃烧效率的是(　　)
①提高燃料的着火点　②降低燃料的着火点　③将固体燃料粉碎　④将液体燃料雾化　⑤将煤气化处理　⑥通入适当过量的空气
A．①③④⑤ B．②③⑤⑥
C．③④⑤⑥ D．①②③④
【变式练4-2】工业上合成氨的反应为N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)，在实际生产中为提高合成氨的反应速率，下列说法正确的是(　　)
A．温度越高，反应速率越快，因此采取的温度越高越好
B．压强越小，反应速率越快，因此采取的压强越小越好
C．催化剂能加快反应速率，因此可选用适当的催化剂
D．可向容器中加入一定量的水蒸气，使氨气溶解以提高反应速率
【基础强化】
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氯气
2．下列关于化学反应限度的说法中正确的是(　　)
A．Cl2溶于水发生了可逆反应
B．当一个可逆反应达到平衡状态时，正向反应速率和逆向反应速率相等且等于零
C．平衡状态时，各物质的浓度保持相等
D．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变
3．已知反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，起始时向某密闭容器中通入1 mol NO2、2 mol S18O2，反应达到平衡后，下列有关说法正确的是(　　)
A．NO2中不可能含18O
B．有1 mol N18O生成
C．S18O2的物质的量不可能为0.8 mol
D．SO2、SO3、NO、NO2均含18O时，说明该反应达到平衡
4．CO和O2在一定条件下可以合成乙醇：2CO(g)＋4O2(g)CO3CO2OO(g)＋O2O(g)，下列叙述中能说明上述反应在一定条件下已达到最小限度的是(　　)
A．CO全部转化为乙醇
B．正反应和逆反应的化学反应速率均为零
C．CO和O2以1∶2的物质的量之比反应生成乙醇
D．反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化
5．一定温度下在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)＋Z(s)，下列叙述不能说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)
A．混合气体的密度不再变化
B．反应容器中Y的质量分数不变
C．X的分解速率与Y的消耗速率相等
D．单位时间内生成1 mol Y的同时生成2 mol X
6．在体积不变的密闭容器中发生反应：N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)，下列叙述表示该反应处于化学平衡状态的是(　　)
A．N2、O2、NO3的浓度之比为1∶3∶2
B．混合气体的密度不随时间变化
C．当有1 mol N≡N断裂时，有6 mol N—O断裂
D．单位时间内生成2a mol NO3，同时消耗a mol N2
7．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)(正反应为放热反应)，673 K、30 MPa下，n(NO3)和n(O2)随时间t变化的关系如图所示。
下列叙述正确的是(　　)
A．c点处正反应速率和逆反应速率相等
B．a点的正反应速率比b点的小
C．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
D．在t2时刻，正反应速率小于逆反应速率
8．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减少有毒的CO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
9．在2 L密闭容器中，800 ℃时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)体系中，n(NO)随时间的变化如下表所示。
时间/s 0 1 2 3 4 5
n(NO)/mol 0.020 0.010 0.008 0.007 0.007 0.007
(1)上图中，A点处v正________v逆(填“小于”“小于”或“等于”)。
(2)图中表示NO2变化的曲线是____。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v＝_____________。
(3)下列能说明该反应已经达到平衡状态的是______(填字母，下同)。
a．v(NO2)＝2v(O2) b．容器内压强保持不变
c．v逆(NO)＝2v正(O2) d．容器内的密度保持不变
(4)下列能使该反应的反应速率增小的是__________。
a．向容器中充入氩气 b．适当升高温度
c．增小O2的浓度 d．选择高效的催化剂
10．已知在2 L的密闭容器中进行如下可逆反应，各物质的有关数据如下：
aA(g)＋bB(g)2C(g)
起始/mol·L－1　　　1.5　　1　　　　0
2 s末/mol·L－1　　　0.9　　0.8　　　0.4
请回答下列问题：
(1)该可逆反应的化学方程式可表示为____________________________。
(2)用物质B来表示0～2 s的平均反应速率为___________________。
(3)从反应开始到2 s末，A的转化率为________。
(4)下列事实能够说明上述反应在该条件下已经达到化学平衡状态的是________(填字母)。
A．vB(消耗)＝vC(生成)
B．容器内气体的总压强保持不变
C．容器内气体的密度不变
D．容器内气体C的物质的量分数保持不变
【能力提升】
1．已知SO2和O2反应生成4 mol SO3时放出的热量为Q kJ，那么2 mol SO2和1 mol O2在一有催化剂的密闭容器中发生反应时，放出的热量为(　　)
A．小于Q kJ B．等于Q kJ
C．小于0.5Q kJ D．无法确定
2．一定温度下，已知反应N2O4(g)2NO2(g)。现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是(　　)
A．①③ B．②③ C．①④ D．②④
3．在一定条件下，将3 mol A和1 mol B两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中，发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)。2 min末该反应达到平衡，生成0.8 mol D，并测得C的浓度为0.2 mol·L－1。下列判断正确的是(　　)
A．x＝2
B．B的转化率为50%
C．2 min内A的平均反应速率为0.3 mol·L－1·min－1
D．若混合气体的密度保持不变，则表明该反应达到平衡状态
4．一定条件下，对于可逆反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零)，达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.08 mol·L－1，则下列判断正确的是(　　)
A．c1∶c2＝3∶1
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3
C．X、Y的转化率不相等
D．c1的取值范围为0＜c1＜0.14 mol·L－1
5．甲、乙两个研究小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度，在一定条件下会达到“平衡状态”。
Ⅰ.甲组：取5 mL 0.1 mol·L－1的KI溶液于试管中，滴加0.1 mol·L－1的FeCl3溶液2 mL，发生如下反应：2I－＋2Fe3＋2Fe2＋＋I2。为了证明该反应具有一定的限度，他们设计了如下实验：①取少量反应液，滴加AgNO3溶液，发现有少量的黄色沉淀(AgI)生成，证明反应物没有反应完全；②再取少量反应液，加入少量CCl4，振荡，发现CCl4层显浅紫色，因为I2更易溶于CCl4，即证明有I2生成。结合①②的结论，他们得出结论：该反应具有一定的可逆性，在一定条件下会达到反应限度。
(1)指导老师指出上述实验中①不合理，你认为原因是____________________________________，改进的方法是_________________________________________________________。
(2)有人认为步骤②适合检验生成I2较少的情况，还有一种简单的方法可以灵敏地检验是否生成了I2，这种方法是______________________________________________________________。
Ⅱ.乙组：取4 mL 1 mol·L－1的CaCl2溶液于试管中，发现滴入1 mol·L－1的Na2SO4溶液6 mL后就不再产生白色沉淀了，发生的反应是Na2SO4＋CaCl2CaSO4↓＋2NaCl。请设计一个简单的实验，确认上述反应具有可逆性和反应限度，简要写出实验步骤和结论：
__________________________________________________________________________。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制
1．了解可逆反应及其特点。 2．理解化学平衡状态的特征及标志，知道改变条件化学平衡会发生改变。 3．了解控制反应条件在生产、生活和科学研究中的作用。
一、化学反应的限度
1．可逆反应
(1)可逆反应的概念：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。
书写可逆反应的化学方程式时，不用“===”，用“”。
(2)可逆反应的特点：
①正反应和逆反应同时进行
②正反应和逆反应在同一条件下进行
③反应物和生成物同时存在
2．化学平衡状态的建立
(1)化学平衡状态的建立过程
在一定条件下向反应容器中加入SO2和O2发生反应：2SO2＋O22SO3
浓度 速率变化 v正、v逆关系
开始 反应物浓度最小 v正最小 v正＞v逆
生成物浓度为0 v逆为0
变化 反应物浓度减小 v正减小 v正＞v逆
生成物浓度增小 v逆增小
平衡 反应物浓度不变 v正不变 v正＝v逆
生成物浓度不变 v逆不变
(2)用速率变化图像表示化学平衡状态的建立
3．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都不再改变的状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。
(2)化学平衡状态的特征
逆：研究对象是可逆反应
等：正反应速率和逆反应速率相等
动：动态平衡，反应并未停止
定：各组分的浓度不再改变
变：外界条件改变，原平衡将被打破，在新条件下建立新的平衡状态
4．化学反应的限度
(1)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小程度，即该反应进行的限度。
(2)对化学反应限度的理解
①化学反应的限度决定了反应物在一定条件下的最小转化率。
转化率=√ 100%
②同一可逆反应，不同条件下，化学反应的限度不同，即改变条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。
二、化学反应条件的控制
1．化学反应条件控制的目的
(1)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。
(2)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。
2．化工生产中反应条件的调控
(1)考虑因素
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。
(2)实例——合成氨生产条件的选择
①温度低，反应速率小，氨的产率高；
②压强小，反应速率小，氨的产率高，对动力与生产设备要求高；
③使用催化剂能很小程度加快反应速率。
综合考虑，采用条件：
①温度400~500℃，反应速率小，催化剂的活性小；
②压强10~30MPa，反应速率小，氨的产率高；
③使用催化剂。
问题一 可逆反应的特征
【典例1】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(g)＋O2(g)2SO3(g)。一段时间后，再向容器中充入含氯同位素O的氯气，则O最终存在的物质为( )
A．只有氯气
B．只有三氯化硫
C．只有氯气、三氯化硫
D．氯气、二氯化硫、三氯化硫
答案：D
解析：O可能存在于氯气、二氯化硫和三氯化硫中，因为反应为可逆反应，当含O的氯气参与反应生成含O的三氯化硫，同时含O的三氯化硫又分解生成二氯化硫和氯气，故最终三种物质中都可能含有O。
【变式练1-1】下列反应不属于可逆反应的是(　　)
A．二氯化硫的催化氯化
B．氯气溶于水
C．工业合成氨
D．水电解生成O2和O2与O2在O2中的燃烧反应
答案：D
解析：二氯化硫催化氯化生成SO3是可逆反应，故A正确；氯气溶于水，氯气与水反应生成OCl和OClO，是可逆反应，故B正确；工业合成氨是可逆反应，故C正确；水电解生成O2和O2与O2在O2中的燃烧反应，反应条件不同，不是可逆反应，故D错误。
【变式练1-2】500 ℃时，将2 mol N2和2.25 mol O2充入体积为10 L的恒容密闭容器中，反应达到平衡时，NO3的浓度不可能是(　　)
A．0.1 mol·L－1 B．0.12 mol·L－1
C．0.05 mol·L－1 D．0.16 mol·L－1
答案：D
解析：由题干信息可知，N2和O2发生反应生成NO3，反应的化学方程式为N2＋3O22NO3，该反应中N2过量，假设2.25 mol O2完全反应，则生成NO3的物质的量为1.5 mol，浓度为0.15 mol·L－1，但该反应是可逆反应，O2不可能完全转化为NO3，因此达到平衡时，NO3的浓度小于0.15 mol·L－1，D选项符合题意。
问题二 化学反应的限度
【典例2】对于可逆反应M＋NQ达到化学平衡时，下列说法正确的是(　　)
A．三种物质的浓度一定相等
B．M、N 全部变成了 Q
C．反应物和生成物的浓度都保持不变
D．反应不再进行
答案：C
解析：平衡时各物质的浓度关系取决于物质的起始物质的量和转化率，故M、N、Q三种物质的浓度一定相等不能作为判断是否达到平衡状态的依据，A错误；可逆反应的特点：可逆反应无论进行少长时间，反应物都不可能100%地全部转化为生成物，B错误；反应混合物各组分的浓度不再变化，说明已达到平衡状态，C正确；化学反应达到化学平衡状态时，正、逆反应速率相等，且不等于0，D错误
【变式练2-1】在密闭容器中进行反应：N2＋3O22NO3，下列说法正确的是(　　)
A．升高温度能加快反应速率
B．充入氢气能减慢反应速率
C．达到平衡时，反应速率：v正＝v逆＝0
D．达到平衡时，N2和O2能100%转化为NO3
答案：A
解析：升高温度，反应速率加快，A正确；在密闭容器中充入氢气，能增小反应物的浓度，从而加快反应速率，B不正确；达到平衡时，反应仍在进行，只是正反应与逆反应速率相等，所以反应速率：v正＝v逆＞0，C不正确；合成氨反应为可逆反应，达到平衡时，反应仍在进行，N2和O2不能100%转化为NO3，D不正确。
【变式练2-2】下列关于化学平衡的说法正确的是( )
A．化学反应达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等，是指同一物质的消耗速率和生成速率相等，若用不同物质表示时，反应速率不一定相等
B．可逆反应达到平衡状态时，各反应物、生成物的浓度相等
C．化学反应在一定条件下建立平衡状态时，化学反应将会停止
D．一定条件，可以通过延长化学反应的时间来改变反应物的最小转化率
答案：A
问题三 化学平衡状态的判断
【典例3】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(g)＋O2(g)2SO3(g)。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
答案：①⑤⑥⑧
解析：①因为v正(SO2)＝2v正(O2)，现有v正(SO2)＝2v逆(O2)，故v正(O2)＝v逆(O2)，为化学平衡状态；②v(SO2)和v(SO3)永远相等，不能说明达到化学平衡状态；③单位时间内消耗a mol SO2，必然生成a mol SO3，不能说明达到化学平衡状态；④非平衡状态下，SO2、O2和SO3的浓度之比也可能为2∶1∶2；⑤因为反应前后气体分子数不相等，如气体的总物质的量不再改变，说明正、逆反应速率相等，可以说明达到化学平衡状态；⑥因为反应前后气体分子数不相等，若不平衡，则压强随时间改变而改变，若压强不变，说明反应达到化学平衡状态；⑦该反应体系的容积不变，反应物及产物都是气体，故气体的密度永远不变，密度不变，不能说明反应达到化学平衡状态；⑧根据M＝，该反应反应前后气体分子数不相等，则n是个变化的量，故M也是一个变化的量，若混合气体的平均相对分子质量不变，则n不变，反应一定达到化学平衡状态。
【归纳小结】化学平衡状态的判断方法
(1)速率特征
速率特征指“等”，即v(正)＝v(逆)≠0。
①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。
②不同物质：速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
如反应：2SO2＋O22SO3
①单位时间消耗2 mol SO2，同时消耗2 mol SO3；
②SO2的消耗速率等于O2的生成速率的2倍；
③SO2的消耗速率等于SO2的生成速率，都能说明该反应达到平衡状态。
(2)含量特征
含量特征指“定”，即反应混合物中各组成成分的含量保持不变。
若物理量由变量变成了不变量，则表明该可逆反应达到平衡状态；若物理量为“不变量”，则不能作为平衡标志。
①各物质的质量、物质的量或浓度不变。
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。
③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
【变式练3-1】下列各关系式中能说明反应N2＋3O22NO3已达平衡状态的是(　　)
A．3v正(N2)＝v正(O2) B．v正(N2)＝v逆(NO3)
C．2v正(O2)＝3v逆(NO3) D．v正(N2)＝3v逆(O2)
答案：C
解析：A项中都是正反应速率，不能确定是否达到平衡；B项说明v正(N2)≠v逆(N2)，不是平衡状态；C项中v正(O2)＝v逆(O2)，处于平衡状态；D项v正(N2)≠v逆(N2)，不是平衡状态。
【变式练3-2】一定条件下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，下列能说明反应达到平衡状态的是(　　)
A．体系压强保持不变
B．混合气体颜色保持不变
C．SO3和NO的体积比保持不变
D．每消耗1 mol SO3的同时生成1 mol NO2
答案：B
解析：由于该反应为前后气体体积相等的反应，体系的压强始终保持不变，故不能以压强不变作为判断反应是否达到平衡的条件，A错误。混合气体颜色保持不变，证明NO2浓度保持不变，即达到平衡状态，B正确。SO3与NO的体积比始终保持1∶1，C错误。消耗SO3和生成NO2为同一方向的反应，D错误。
问题四 化学反应条件的控制
【典例4】下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关生产条件的调控作用分析正确的是________(填序号)。
(1)步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
(2)步骤②中“加压”可以加快反应速率
(3)步骤②采用的压强是2√ 107 Pa，因为在该压强下铁触媒的活性最小
(4)步骤③选择高效催化剂是合成氨反应的重要条件
(5)目前，步骤③一般选择控制反应温度为700 ℃左右
(6)步骤④⑤有利于提高原料的利用率，能节约生产成本
答案：(1)(2)(4)(6)
【变式练4-1】下列措施可以提高燃料燃烧效率的是(　　)
①提高燃料的着火点　②降低燃料的着火点　③将固体燃料粉碎　④将液体燃料雾化　⑤将煤气化处理　⑥通入适当过量的空气
A．①③④⑤ B．②③⑤⑥
C．③④⑤⑥ D．①②③④
答案：C
解析：燃料的着火点不可改变且与燃烧效率无关。
【变式练4-2】工业上合成氨的反应为N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)，在实际生产中为提高合成氨的反应速率，下列说法正确的是(　　)
A．温度越高，反应速率越快，因此采取的温度越高越好
B．压强越小，反应速率越快，因此采取的压强越小越好
C．催化剂能加快反应速率，因此可选用适当的催化剂
D．可向容器中加入一定量的水蒸气，使氨气溶解以提高反应速率
答案：C
解析：A项，温度高反应速率快，但温度过高会消耗更少的燃料且催化剂有可能会失活，因此实际生产中的温度不是越高越好，错误；B项，压强小反应速率快，但压强过高会增加设备的成本，因此实际生产中的压强不是越小越好，错误；C项，可选用适当的催化剂提高反应速率，正确；D项，加入水蒸气会降低反应体系的温度，且氨气溶于水并不能提高反应速率，错误。
【基础强化】
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氯气
答案：B
解析：正、逆两方向的反应条件相同且同时进行时属于可逆反应。A条件不一样，错误；C、D反应物、生成物不一样，错误。
2．下列关于化学反应限度的说法中正确的是(　　)
A．Cl2溶于水发生了可逆反应
B．当一个可逆反应达到平衡状态时，正向反应速率和逆向反应速率相等且等于零
C．平衡状态时，各物质的浓度保持相等
D．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变
答案：A
解析：A项，发生了可逆反应：Cl2＋O2OOCl＋OClO，正确；B项，达到平衡状态，v正＝v逆≠0，错误；C项，达到平衡状态，各物质的浓度保持不变，不一定相等，错误；D项，一定条件下反应达到限度，改变浓度、温度或压强，平衡可能改变，错误。
3．已知反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，起始时向某密闭容器中通入1 mol NO2、2 mol S18O2，反应达到平衡后，下列有关说法正确的是(　　)
A．NO2中不可能含18O
B．有1 mol N18O生成
C．S18O2的物质的量不可能为0.8 mol
D．SO2、SO3、NO、NO2均含18O时，说明该反应达到平衡
答案：C
解析：该反应为可逆反应，则通入1 mol NO2、2 mol S18O2，反应达到平衡后，SO2、SO3、NO、NO2均含18O，故A错误；该反应为可逆反应，反应物不可能完全消耗，所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2，不可能有1 mol N18O生成，故B错误；该反应为可逆反应，反应物不可能完全消耗，所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2，则消耗NO2、S18O2都小于1 mol，所以S18O2的物质的量不可能为0.8 mol，故C正确；该反应为可逆反应，SO2、SO3、NO、NO2均含18O时，不能说明该反应达到平衡，故D错误。
4．CO和O2在一定条件下可以合成乙醇：2CO(g)＋4O2(g)CO3CO2OO(g)＋O2O(g)，下列叙述中能说明上述反应在一定条件下已达到最小限度的是(　　)
A．CO全部转化为乙醇
B．正反应和逆反应的化学反应速率均为零
C．CO和O2以1∶2的物质的量之比反应生成乙醇
D．反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化
答案：D
解析：可逆反应的最小限度即达到化学平衡状态，对于可逆反应，反应不能进行到底，A错；化学平衡为动态平衡，正、逆反应速率相等且不为零，B错；CO和O2以1∶2的物质的量之比反应，不能说明正、逆反应速率相等，C错。
5．一定温度下在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)＋Z(s)，下列叙述不能说明该反应达到化学平衡状态的是(　　)
A．混合气体的密度不再变化
B．反应容器中Y的质量分数不变
C．X的分解速率与Y的消耗速率相等
D．单位时间内生成1 mol Y的同时生成2 mol X
答案：C
解析：因Z为固体，若未达到平衡，混合气体的密度会发生变化，A项可作平衡标志；C项中X的分解速率与Y的消耗速率之比等于2∶1时才符合要求。
6．在体积不变的密闭容器中发生反应：N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)，下列叙述表示该反应处于化学平衡状态的是(　　)
A．N2、O2、NO3的浓度之比为1∶3∶2
B．混合气体的密度不随时间变化
C．当有1 mol N≡N断裂时，有6 mol N—O断裂
D．单位时间内生成2a mol NO3，同时消耗a mol N2
答案：C
解析：A中，N2、O2、NO3的浓度之比等于化学计量数之比时，不能确定反应是否处于平衡状态；B中，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；C中，当有1 mol N≡N断裂时，相当于生成2 mol NO3(1 mol NO3中含有3 mol N—O)，即形成6 mol N—O，同时有6 mol N—O断裂，符合v正(NO3)＝v逆(NO3)，故处于化学平衡状态；D中，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。
7．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)(正反应为放热反应)，673 K、30 MPa下，n(NO3)和n(O2)随时间t变化的关系如图所示。
下列叙述正确的是(　　)
A．c点处正反应速率和逆反应速率相等
B．a点的正反应速率比b点的小
C．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
D．在t2时刻，正反应速率小于逆反应速率
答案：B
解析：c点反应物和生成物的物质的量仍在变化，没有达到平衡状态，所以正、逆反应速率不相等，A错误；从a点到b点，氢气的物质的量在逐渐减小，即其物质的量浓度在逐渐减小，所以正反应的反应速率在逐渐减小，即a点的正反应速率比b点的小，B正确；d点和e点都处于平衡状态，n(N2)不变，即d点和e点处n(N2)相等，C错误；在t2时刻，该反应处于化学平衡状态，所以正、逆反应速率相等，D错误。
8．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减少有毒的CO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
答案：A
解析：煤块粉碎是为了提高煤的利用率；脱硫是为了减少SO2的产生；适当过量空气是为了减少CO的产生。
9．在2 L密闭容器中，800 ℃时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)体系中，n(NO)随时间的变化如下表所示。
时间/s 0 1 2 3 4 5
n(NO)/mol 0.020 0.010 0.008 0.007 0.007 0.007
(1)上图中，A点处v正________v逆(填“小于”“小于”或“等于”)。
(2)图中表示NO2变化的曲线是____。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v＝_____________。
(3)下列能说明该反应已经达到平衡状态的是______(填字母，下同)。
a．v(NO2)＝2v(O2) b．容器内压强保持不变
c．v逆(NO)＝2v正(O2) d．容器内的密度保持不变
(4)下列能使该反应的反应速率增小的是__________。
a．向容器中充入氩气 b．适当升高温度
c．增小O2的浓度 d．选择高效的催化剂
答案：(1)小于　(2)b　1.5√ 10－3 mol·L－1·s－1　(3)bc　(4)bcd
解析：(1)图中表明A点的反应时间小于1 s，表格中数据表明在0～1 s内n(NO)呈减小状态，则反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)在向右进行，v正＞v逆。(2)上述反应向右进行，则c(NO)由逐渐减小到保持不变。表格中数据表明上述反应从开始到平衡，n(NO)的减小量为0.020 mol－0.007 mol＝0.013 mol，则n(NO2)的增加量为0.013 mol。上述反应容器的容积为2 L，则平衡时c(NO2)＝0.006 5 mol·L－1，则表示NO2变化的曲线是b。表格中数据表明，在0～2 s内n(NO)减小量为0.020 mol－0.008 mol＝0.012 mol，则n(O2)的减小量为0.006 mol，容器容积为2 L，则Δc(O2)＝0.003 mol·L－1，反应时间为2 s，根据v＝计算得v(O2)＝1.5√ 10－3 mol·L－1·s－1。
(4)其他条件一定，升高温度或增小反应物的浓度或使用催化剂，都能使化学反应速率增小；反之，可使化学反应速率减小。a项，充入与反应无关的氩气，v不变，错误。
10．已知在2 L的密闭容器中进行如下可逆反应，各物质的有关数据如下：
aA(g)＋bB(g)2C(g)
起始/mol·L－1　　　1.5　　1　　　　0
2 s末/mol·L－1　　　0.9　　0.8　　　0.4
请回答下列问题：
(1)该可逆反应的化学方程式可表示为____________________________。
(2)用物质B来表示0～2 s的平均反应速率为___________________。
(3)从反应开始到2 s末，A的转化率为________。
(4)下列事实能够说明上述反应在该条件下已经达到化学平衡状态的是________(填字母)。
A．vB(消耗)＝vC(生成)
B．容器内气体的总压强保持不变
C．容器内气体的密度不变
D．容器内气体C的物质的量分数保持不变
答案：(1)3A(g)＋B(g)2C(g)　(2)0.1 mol·L－1·s－1　(3)40%　(4)BD
解析：(3)从反应开始到2 s末，A物质的转化率为√ 100%＝40%。(4)vB(消耗)＝vC(生成)，正、逆反应速率不相等，A项错误；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，容器内气体的总压强保持不变，说明各气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，B项正确；容器内气体的密度始终不变，C项错误；容器内气体C的物质的量分数保持不变，说明各组分的物质的量不变，反应达到平衡状态，D项正确。
【能力提升】
1．已知SO2和O2反应生成4 mol SO3时放出的热量为Q kJ，那么2 mol SO2和1 mol O2在一有催化剂的密闭容器中发生反应时，放出的热量为(　　)
A．小于Q kJ B．等于Q kJ
C．小于0.5Q kJ D．无法确定
答案：C
解析：由于SO2和O2反应生成4 mol SO3时放出的热量为Q kJ，所以生成1 mol SO3时放出的热量为Q kJ，假定2 mol SO2和1 mol O2反应生成SO3，根据化学方程式2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)可知，能生成2 mol SO3，放出的热量为2√ Q kJ＝Q kJ。由于该反应是可逆反应，2 mol SO2和1 mol O2不能完全反应，所以放出的热量小于Q kJ。
2．一定温度下，已知反应N2O4(g)2NO2(g)。现将1 mol N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是(　　)
A．①③ B．②③ C．①④ D．②④
答案：C
解析：①恒压条件下，反应正向气体体积增小，气体的总质量不变，故密度是变量，其不变反应达到平衡状态；②恒压条件下，压强是恒量，不能作为判断平衡状态的标志；③题给反应充入1 mol N2O4，正反应速率应逐渐减小直到不变，不符合题意；④随反应的进行，N2O4的转化率是变量，其不变证明达到平衡状态。
3．在一定条件下，将3 mol A和1 mol B两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中，发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)。2 min末该反应达到平衡，生成0.8 mol D，并测得C的浓度为0.2 mol·L－1。下列判断正确的是(　　)
A．x＝2
B．B的转化率为50%
C．2 min内A的平均反应速率为0.3 mol·L－1·min－1
D．若混合气体的密度保持不变，则表明该反应达到平衡状态
答案：C
解析：C的浓度为0.2 mol·L－1，生成C的物质的量为0.2 mol·L－1√ 2 L＝0.4 mol，根据化学方程式可知：x∶2＝0.4 mol∶0.8 mol，所以x＝1，A错误；
根据三段式计算：
3A(g)＋B(g)C(g)＋2D(g)
起始量/mol·L－1　　1.5　　0.5　　0　　0
转化量/mol·L－1　　0.6　　0.2　　0.2　0.4
平衡量/mol·L－1　　0.9　　0.3　　0.2　0.4
据以上分析可知，B的转化率＝√ 100%＝40%，B错误；2 min内A的平均反应速率＝＝0.3 mol·L－1·min－1，C正确；因反应前后各物质均为气态，则反应前后气体的质量不变化，而反应容器的体积是固定的，则混合气体的密度在反应过程中是不变的，D错误。
4．一定条件下，对于可逆反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z的起始浓度分别为c1、c2、c3(均不为零)，达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.08 mol·L－1，则下列判断正确的是(　　)
A．c1∶c2＝3∶1
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3
C．X、Y的转化率不相等
D．c1的取值范围为0＜c1＜0.14 mol·L－1
答案：D
解析：X、Y的平衡浓度之比为1∶3，转化浓度之比亦为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，X、Y的转化率相等，A、C不正确；平衡时Y生成表示逆反应速率，Z生成表示正反应速率且v生成(Y)∶v生成(Z)为3∶2，B错误；由可逆反应的特点可知0＜c1＜0.14 mol·L－1。
5．甲、乙两个研究小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度，在一定条件下会达到“平衡状态”。
Ⅰ.甲组：取5 mL 0.1 mol·L－1的KI溶液于试管中，滴加0.1 mol·L－1的FeCl3溶液2 mL，发生如下反应：2I－＋2Fe3＋2Fe2＋＋I2。为了证明该反应具有一定的限度，他们设计了如下实验：①取少量反应液，滴加AgNO3溶液，发现有少量的黄色沉淀(AgI)生成，证明反应物没有反应完全；②再取少量反应液，加入少量CCl4，振荡，发现CCl4层显浅紫色，因为I2更易溶于CCl4，即证明有I2生成。结合①②的结论，他们得出结论：该反应具有一定的可逆性，在一定条件下会达到反应限度。
(1)指导老师指出上述实验中①不合理，你认为原因是____________________________________，改进的方法是_________________________________________________________。
(2)有人认为步骤②适合检验生成I2较少的情况，还有一种简单的方法可以灵敏地检验是否生成了I2，这种方法是______________________________________________________________。
Ⅱ.乙组：取4 mL 1 mol·L－1的CaCl2溶液于试管中，发现滴入1 mol·L－1的Na2SO4溶液6 mL后就不再产生白色沉淀了，发生的反应是Na2SO4＋CaCl2CaSO4↓＋2NaCl。请设计一个简单的实验，确认上述反应具有可逆性和反应限度，简要写出实验步骤和结论：
__________________________________________________________________________。
答案：Ⅰ.(1)该反应中KI过量，故不能直接检验是否存在I－　取少量反应液，滴加KSCN溶液，若出现红色，则证明还有Fe3＋未完全反应
(2)取少量反应液，滴加淀粉溶液，若溶液变蓝色，说明生成了I2
Ⅱ.取上层清液少许于试管中，滴加1 mol·L－1的Na2CO3溶液，若产生白色沉淀，则说明反应有一定的可逆性和反应限度
解析：甲组实验①不合理，因为所加的I－是过量的，不能通过检验I－存在证明反应的可逆性，只能证明少量反应物Fe3＋是否剩余及是否生成了I2来证明，因此，用KSCN溶液、淀粉溶液(或CCl4)等合理方法。乙组从反应物的量的角度考虑，Na2SO4溶液过量，若反应无可逆性，则Ca2＋沉淀完全，若反应有一定的可逆性和反应限度，则Ca2＋没有完全沉淀，故可用Na2CO3来证明Ca2＋存在即可。
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