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专题2 化学反应速率与化学平衡
第二单元 化学反应的方向和限度
2.2.2 化学平衡状态
核心素养目标
科学态度与社会责任：
关注化学平衡原理在环境保护中的应用，增强社会责任感。
证据推理与模型认知：
运用该模型解释生活实例和工业应用，实现知识迁移与模型应用。
宏观辨识与微观探析：
结合基元反应模型，从微观反应历程角度，分析复杂反应速率由慢步骤决定的规律。
教学重难点
重点
理解可逆反应 “同一条件、正逆反应同时进行、反应物不能完全转化” 的特点。
通过浓度 - 时间曲线分析平衡建立过程，理解 v 正逐渐减小、v 逆逐渐增大至相等的动态平衡本质。
掌握 “v 正 = v 逆”和 “各物质浓度保持不变”的判断方法。
难点
区分平衡时 “反应未停止” 与 “宏观现象不变” 的矛盾，避免将平衡误认为反应终止。
平衡标志的综合判断：辨析不同类型反应中平衡标志的差异。
结合三段式法计算平衡时各物质的浓度或转化率。
课前导入
为什么可乐打开瓶盖后气泡会不断冒出？这是因为瓶内存在 CO 的溶解平衡：CO2(aq) CO2(g)，瓶盖打开后压强减小，平衡打破。1861 年，贝特洛首次提出 “可逆反应” 概念，揭示了化学反应的双向性。如今，从工业合成氨到生命体中的酶催化反应，平衡思想贯穿化学研究与生产。
今天，我们将从可乐气泡的秘密出发，解密可逆反应的平衡本质，学习如何通过微观速率相等和宏观特征恒定判断平衡状态，甚至能为某化工厂的合成反应设计平衡监测方案！
01
可逆反应与化学平衡状态
可逆反应
→可逆反应的概念：
可逆反应是指在相同条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向同时进行的化学反应。
→可逆反应的特征：
(1)同一条件下，正反应和逆反应同时发生、同时存在。
(2)反应不能进行到底，反应物不能实现完全转化。
(3)反应体系中，与化学反应有关的各种物质同存于同一反应体系。
(4)反应达到限度时，反应仍在进行，没有停止。
常见的可逆反应举例
事实上，许多化学反应都是难以进行到底的。在以前的学习中也曾接触过一些实例，如N2与H2合成NH3，Cl2与H2O反应生成HCl和HClO，SO2被O2氧化生成SO3等，它们都是可逆反应
因此，研究化学反应，不仅要明确反应的方向，还应关注反应进行的限度。
交流讨论
高炉炼铁的主要反应为：
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
从炼铁炉口排出的尾气中总是含有一定量的CO。100多年前，人们曾认为这是由于CO与铁矿石接触时间不够的缘故。为使反应进行得完全，当时曾耗巨资改建高炉，通过增加炼铁炉的高度以延长CO和Fe2O3的接触时间，结果尾气中CO的体积分数并未减少。你知道这是什么原因吗？
上述炼铁反应的进行是有限度的。在高温下，氧化铁能与一氧化碳反应生成铁和二氧化碳；同时，铁与二氧化碳反应也能生成氧化铁和一氧化碳。该反应是可逆反应。
可逆反应中的注意事项
(1)可逆反应概念中“同一条件”是前提,如葡萄糖在氧气中燃烧可以生成二氧化碳和水,光合作用可将二氧化碳和水变成葡萄糖和氧气,但是两者条件不同,不互为可逆反应。
(2)可逆反应的正反应、逆反应的热效应互为相反数,即一个释放能量,另一个则吸收能量。
(3)绝大多数化学反应都有一定的可逆性,但有些反应的可逆性小,可视为“不可逆”。
化学平衡状态的建立
在反应物转化为生成物的一瞬间，逆反应开始进行。
反应开始时，反应物的浓度最大，正反应速率最大，由于生成物浓度很小，逆反应速率很小。
随着反应的进行，反应物浓度逐渐减小，正反应速率随着反应物浓度的下降逐渐变小；生成物浓度逐渐增大，逆反应速率随着生成物浓度的上升不断增大。
当正反应速率与逆反应速率相等时，达到一种平衡状态，反应物的浓度和生成物的浓度不再改变，正反应和逆反应都没有停止。
化学平衡状态
在一定条件下的可逆反应里，当正、逆两个方向的反应速率相等时，反应体系中所有参加反应的物质的质量或浓度保持恒定的状态。也就是在给定条件下，反应达到了最大“限度”，这种状态称为化学平衡状态，简称为化学平衡。
化学平衡状态的特征
逆：研究的对象是可逆反应。
等：化学平衡的条件是v正和v逆相等。
动：化学平衡是一种动态平衡，此时反应并未停止。
定:当可逆反应达到平衡时，各组分的质量(或浓度)为恒定值。
变：若外界条件改变，平衡可能发生改变，并在新条件下建立新的平衡。
02
化学平衡状态的判断依据和方法
化学平衡状态的判断
一.直接标志
以 aA + bB cC + dD 为例
1.正逆反应速率相等
对于同一物质，其消耗速率和生成速率相等。若v(A)正=v(A)逆，则达到平衡状态。
对于不同物质，正逆反应速率之比等于化学计量数之比v(A)正：v(B)正=a:b且v(A)逆：v(B)逆=a:b，反应达到平衡。
化学平衡状态的判断
2.各物质的浓度保持不变
反应体系中各物质的浓度不再随时间而改变，包括反应物和生成物的浓度。无论是物质的量浓度、质量浓度还是其他浓度表示方式，只要在一定条件下稳定不变，就可判断达到平衡状态。
以 aA + bB cC + dD 为例
化学平衡状态的判断
二.间接标志
1.体系中各物质的物质的量、质量、分子数等保持不变
当这些量不再发生变化时，说明反应体系已达到一种动态平衡，可判断为平衡状态。
例如在反应过程中，如果某物质的物质的量一直在改变，而在某一时刻后不再变化，就可以判断反应达到了平衡。
2.体系的温度不变
对于有热效应的反应，当体系温度不再变化时，说明正逆反应的吸放热达到平衡，反应达到化学平衡状态。
如果是放热反应，随着反应的进行体系温度会升高，当温度稳定时即达到平衡；如果是吸热反应，体系温度会降低，温度稳定时为平衡状态。
化学平衡状态的判断
3.体系的颜色不变（对于有颜色变化的反应）
当体系中某种有颜色的物质的颜色不再改变时，说明该物质的浓度不再变化，反应达到平衡。例如在某些可逆反应中，若存在有色物质参与反应，当颜色稳定时，可以判断反应达到了平衡。
4.气体的密度不变（对于有气体参与且有固体或液体参与的反应）
当反应在恒容容器中进行时，如果有固体或液体参与反应，气体的质量会发生变化，从而导致气体密度改变。当气体密度稳定时，说明反应达到平衡。
化学平衡状态的判断
5.体系的压强不变（对于有气体参与且反应前后气体分子数有变化的反应）
当反应在恒容容器中进行时，如果反应前后气体分子数不相等，随着反应的进行体系压强会发生变化，当压强稳定时，说明反应达到平衡。
当a+b≠c+d时，压强不变可作为平衡状态的标志。但如果反应前后气体分子数相等，即a+b=c+d，则压强始终不变，不能作为平衡状态的标志。
以 aA + bB cC + dD 为例
化学平衡状态的判断
6.混合气体的平均相对分子质量不变（对于有气体参与且反应前后气体分子数有变化的反应）
当反应前后气体分子数不相等时，混合气体的平均相对分子质量会随着反应的进行而改变，当平均相对分子质量稳定时，说明反应达到平衡。例如在上述反应中，当a+b≠c+d时，平均相对分子质量不变可作为平衡状态的标志；当时a+b=c+d，平均相对分子质量始终不变，不能作为平衡状态的标志。
以 aA + bB cC + dD 为例
化学平衡状态的判断
下列情况不能说明可逆反应达到化学平衡状态
(1)对于反应前后气体化学计量数相等的反应,气体总物质的量不变或气体总压强不变。
(2)全部由气体参加和生成的反应,恒容时气体密度不变。
(3)各组分的浓度相等或成某一比例。
(4)不指明v正或v逆,或指明v正或v逆,但用不同物质表示时的比例关系不符合化学计量数之比。
(5)反应物和生成物全部是气体,且反应前后气体化学计量数不变的反应,平均相对分子质量不变。
03
课堂小结
04
课堂练习
1．模型法是化学中把微观问题宏观化的最常见方法，对于2HBr(g) H2(g)＋Br2(g)反应，下列四个图中可以表示该反应在一定条件下为可逆反应的是(　　)
C
C
2．已知298 K时，合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.0 kJ·mol－1，将此温度下的1 mol N2和3 mol H2放在一密闭容器中，在催化剂存在时进行反应，测得反应放出的热量为(忽略能量损失)(　　)
A．一定大于92.0 kJ B．一定等于92.0 kJ
C．一定小于92.0 kJ D．不能确定
A
3．一定温度下，在恒容密闭容器中发生可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，已知N2(g)、H2(g)、NH3(g)的起始浓度分别为0.2 mol·L－1、0.5 mol·L－1、0.2 mol·L－1，当反应达到平衡时，各物质的浓度不可能是(　　)
A．c(N2)＝0.02 mol·L－1
B．c(H2)＝0.7 mol·L－1
C．c(NH3)＝0.3 mol·L－1
D．2c(N2)＋c(NH3)＝0.6 mol·L－1
B
4．一定条件下，对于反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若起始时X、Y、Z的浓度分别为c1 mol·L－1、c2 mol·L－1、c3 mol·L－1(均不为零)。达平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1和0.08 mol·L－1，则下列判断错误的是(　　)
A．c1∶c2＝1∶3
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3
C．平衡时消耗的X和Z的物质的量之比为1∶2
D．c1的取值范围为0感谢您的聆听

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