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(共37张PPT)
第3课时　化学反应的限度　
化学反应条件的控制
第六章
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.了解可逆反应的含义及其特征;认识化学反应的限度,知道外界条件改变时化学反应限度能发生改变;初步了解化学反应达到平衡状态的标志,发展变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识等学科核心素养。
2.了解控制反应条件在生产和科研中的作用,发展科学态度与社会责任等学科核心素养。
课前篇 素养初探
【自主梳理】
一、化学反应的限度
1.化学平衡状态建立的过程
如对于可逆反应2SO2+O2 2SO3,在一定温度下,将2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)通入一定体积的密闭容器中。其化学平衡建立的过程如图所示。
2.化学平衡状态的定义
对于可逆反应,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,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,达到一种表面静止的状态,称之为化学平衡状态,简称化学平衡,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程度,即该反应进行的限度。
3.化学平衡状态的特征
【微思考】一定条件下,2 mol SO2(g)与足量的O2(g)充分反应,能否得到
2 mol SO3(g)
提示 不可以,得到的SO3一定少于2 mol,因该反应为可逆反应。
二、化学反应条件的控制
1.目的
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
3.提高煤的燃烧效率
(1)煤燃烧时,将煤块粉碎成煤粉的目的是增大其与空气中O2的接触面积,煤粉燃烧更充分,反应速率更快;通入适当过量的空气可以使煤粉充分燃烧,生成CO2,放出更多的热量;若空气不足,会造成煤燃烧不完全,生成CO,产生热量减少,且会造成污染。
(2)选择保温隔热且耐热的炉(灶)膛材料的主要目的是防止热量散失。
(3)充分利用煤燃烧后的废气中的热量可采取的措施是将燃烧后的废气通过热交换装置,供其他方面使用。
【自我检测】
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(2)化学反应进行的限度只与化学反应本身有关,与外界条件无关。(　　)
(3)在一定条件下,向密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2充分反应,达到平衡时N2、H2、NH3三者共存。(　　)
(4)一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度。(　　)
(5)可逆反应达到平衡状态时,各反应物、生成物的浓度相等。(　　)
×
×
√
√
×
2.在密闭容器中充入2 mol SO2和2 mol O2,一定条件下发生反应:
2SO2+O2 2SO3,达到反应限度时,容器中SO3的物质的量可能是(　　)
A.1 mol B.2 mol C.3 mol D.4 mol
答案 A
解析 题给反应是可逆反应,2 mol SO2和2 mol O2充分反应生成的SO3应小于2 mol,则有03.一定条件下,乙烷发生分解反应:C2H6 C2H4+H2。一段时间后,各物质的浓度保持不变,这说明(　　)
A.反应完全停止 B.反应达到平衡状态
C.反应物消耗完全 D.正反应速率大于逆反应速率
答案 B
解析 一段时间后,各物质的浓度保持不变,则该反应达到最大限度,即处于平衡状态,此时正、逆反应速率相等,则B正确,D错误。由于该反应是可逆反应,反应不能完全向右进行到底,故反应物并未完全消耗,而是处于动态平衡状态,A、C均错误。
课堂篇 素养提升
任务
化学平衡状态的判断
【问题探究】
钢铁生产是17世纪从英国开始的第一次产业革命的两大产业之一。炼制1 t生铁所需焦炭的实际用量,远高于按照化学方程式计算所需的量,且从高炉中出来的气体中含有没有利用的CO气体,炼铁工程师设法增加高炉的高度,高炉尾气中CO的比例竟然没有改变,这成了炼铁技术的一大疑问。直到19世纪下半叶,人们才认识到CO还原Fe2O3的反应实质,这一谜底才得以揭开。
1.炼铁工程师设法增加高炉的高度,高炉尾气中CO的比例竟然没有改变,其原因是什么
提示 高炉炼铁时发生反应:Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g),该反应是可逆反应,反应进行到一定程度时达到反应的最大限度,只增加高炉的高度,不改变其他反应条件,化学平衡状态不变,高炉尾气中CO的比例不会改变。
2.恒容条件下进行反应Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g),试写出四个能反映该反应达到平衡状态的依据。
提示 ①CO或CO2的浓度保持不变;②混合气体的密度保持不变;③n(CO)或n(CO2)保持不变;④Fe2O3(s)的质量不变等。
3.上述化学反应进行一定时间后,各气体组分的浓度相等或浓度之比正好等于化学计量数之比时,化学反应是否达到平衡
提示 不一定。化学反应达到平衡时,各组分的浓度保持不变,不一定相等,也不一定浓度之比等于化学计量数之比。
【深化拓展】
化学平衡状态的标志
1.直接标志
(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.间接判断依据
以mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例:
类型 判断依据 平衡状态
混合物体系中各成分的含量 ①各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡
②各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡
类型 判断依据 平衡状态
正、逆反应速率的关系 ①在单位时间内消耗了m mol A,同时生成m mol A,即v(正)=v(逆) 平衡
②在单位时间内消耗了n mol B,同时生成p mol C,则v(正)不一定等于v(逆) 不一定
③在单位时间内生成n mol B,同时消耗q mol D,因二者变化均表示v(逆),所以v(正)不一定等于v(逆) 不一定
温度 体系温度一定(其他条件不变) 平衡
颜色 反应体系内有色物质的颜色一定 平衡
【素能应用】
典例H2(g)+I2(g) 2HI(g)已经达到平衡状态的标志是　　　　(填序号)。
①c(H2)=c(I2)=c(HI)
②c(H2)∶c(I2)∶c(HI)=1∶1∶2
③c(H2)∶c(I2)∶c(HI)不再变化
④单位时间内生成n mol H2的同时生成2n mol HI
⑤单位时间内生成n mol H2的同时生成n mol I2
⑥反应速率v(H2)=v(I2)= v(HI)
⑦一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂
⑧温度和体积一定时,容器内压强不再变化
⑨温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化
⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化
答案 ③④⑦⑨
解析 ①和②分别体现了化学平衡建立过程中的某一种特定状态,但不一定是平衡状态。③体现了c(H2)、c(I2)和c(HI)都不再变化,这是一种平衡状态。④体现了v逆(H2)= v正(HI),即v(正)=v(逆),这是一种平衡状态。⑤都为逆反应速率,未体现v(正)=v(逆),不一定是平衡状态。⑥未体现v(正)=v(逆),不一定是平衡状态。⑦体现了v(正)=v(逆),这是一种平衡状态。⑧体现的是反应从开始到化学平衡过程中的任意状态,这不一定是平衡状态。⑨体现了c(I2)、c(H2)和c(HI)都不再变化,这是一种平衡状态。⑩体现的是反应从开始到化学平衡过程中的任意状态,这不一定是平衡状态。
【变式设问】
HI(g)的体积分数保持不变时,该反应是否达到平衡状态 为什么
提示 是;该反应是前后气体总分子数不变的反应,反应过程中气体总物质的量不变,当HI(g)的体积分数保持不变时,n(HI)不变,则该反应达到平衡状态。
规律方法化学平衡状态判断的“三关注”“一等、一不变”
(1)三关注
①关注反应条件,是恒温恒容、恒温恒压,还是绝热恒容容器;
②关注反应特点,是等体积反应,还是非等体积反应;
③关注特殊情况,是否有固体参加或生成,或固体的分解反应。
(2)一等、一不变
变式训练在一个不传热的固定容积的密闭容器中,发生可逆反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),当m、n、p、q为任意整数时,反应达到平衡的标志是(　　)
①体系的压强不再改变　②体系的温度不再改变　③各组分的浓度不再改变　④各组分的质量分数不再改变　⑤反应速率v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q　⑥单位时间内m mol A发生断键反应,同时p mol C也发生断键反应
A.③④⑤⑥ B.②③④⑥
C.①③⑤ D.①④⑥
答案 B
解析 判断反应到达化学平衡状态的根本标志是v(正)=v(逆),⑥中m mol A断键,则同时生成p mol C,而p mol C也发生断键反应,因此对C而言,v(正)=v(逆),⑥正确;而⑤中未指明反应速率表示的方向,错误;平衡状态的直接标志是各组分的浓度不再改变,则各组分的质量分数不再改变,说明反应达到平衡状态,③④正确;平衡状态的间接标志是体系的温度不再改变,故②正确;因(m+n)与(p+q)的相对大小不确定,故①无法确定,若m+n=p+q,则反应过程中压强始终不变化,此情况下无法说明反应是否达到平衡,故①错误。因此选B项。
随堂检测
1.(2021辽宁大连八中高一期中)在一定条件下,对于密闭容器中进行的可逆反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)。下列说法不正确的是(　　)
A.改变反应条件可以改变该反应的限度
B.达到平衡后,SO3、SO2、O2在密闭容器中共存
C.达到平衡后,反应停止,正、逆反应速率都等于零
D.SO3、SO2、O2的浓度保持不变,说明该可逆反应达到了限度
答案 C
解析 对可逆反应改变反应条件,如温度、压强、浓度等,可以改变该反应的限度,A正确;该反应是可逆反应,达到平衡后,SO3、SO2和O2在密闭容器中共存,B正确;达到平衡后,正、逆反应速率相等,但不等于零,C错误;SO3、SO2和O2的浓度保持不变,说明该反应达到平衡状态,即达到反应的最大限度,D正确。
2.下列各关系式中能说明反应N2+3H2 2NH3已达平衡状态的是(　　)
A.3v正(N2)=v正(H2) B.v正(N2)=v逆(NH3)
C.2v正(H2)=3v逆(NH3) D.v正(N2)=3v逆(H2)
答案 C
解析 A项中都是正反应速率,不能确定反应是否达到平衡;B项v正(N2)=v逆(NH3)=2v逆(N2),v正(N2)≠v逆(N2),故不是平衡状态;C项中v正(H2)= v逆(NH3)=v逆(H2),反应处于平衡状态;D项中v正(N2)=3v逆(H2)=9v逆(N2),v正(N2)≠v逆(N2),故不是平衡状态。
3.一定条件下,向密闭容器中加入1 mol NH3和3 mol H2,当反应
N2+3H2 2NH3达到平衡时,下列说法错误的是(　　)
A.正、逆反应速率相等
B.NH3的物质的量为2 mol
C.N2、H2和NH3的浓度均不再改变
D.若升高温度,平衡状态将被破坏
答案 B
解析 达到平衡时,正、逆反应速率相等,各物质的浓度均保持不变,则A、C均正确;该反应是可逆反应,1 mol N2和3 mol H2充分反应生成的NH3应小于2 mol,B错误;升高温度,原来平衡建立的条件发生改变,平衡状态将被破坏,直至建立新平衡,D正确。
4.可逆反应2NO2 2NO+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n mol O2的同时生成2n mol NO2
②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO
③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为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.②③⑤⑦
C.①③④⑤ D.①②③④⑤⑥⑦
答案 A
解析 ①中单位时间内生成n mol O2的同时必消耗2n mol NO2,与此同时生成2n mol NO2,则v(正)=v(逆),所以①能说明反应达到平衡状态;②所描述的都是正反应方向的速率,无法判断;③无论反应达到平衡与否,对于同一反应方向的各物质的反应速率之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比;④有色气体的颜色不变能够说明反应达到了化学平衡;因容器体积固定,混合气体的密度是一个常数,所以⑤不能说明反应达到平衡状态;该反应是一个反应前后气体体积不等的反应,容器的体积是固定的,所以⑥⑦均能说明反应达到平衡状态。
5.在200 ℃时,将a mol H2(g)和b mol I2(g)充入体积为V L的密闭容器中,发生反应:I2(g)+H2(g) 2HI(g)。
(1)反应刚开始时,由于c(H2)=　　　　　　,c(I2)=　　　。而c(HI)=　　　,所以化学反应速率　　　最大,而　　　　最小(为0)。
(2)随着反应的进行,反应混合物中各组分浓度的变化趋势为c(H2)　　　　,c(I2)　　　　,而c(HI)　　　,从而化学反应速率v(正)　　　　,而v(逆)　　　。
(3)当反应进行到v(正)与v(逆)　　　时,此可逆反应达到了最大限度。若保持外界条件不变时,混合物中各组分的物质的量、物质的量浓度、质量分数、体积分数、反应物的转化率和生成物的产率都将　　　　。
(2)减小　减小　增大　减小　增大
(3)相等　保持不变
解析 本题主要考查化学平衡建立的过程,开始时,c(H2)和c(I2)为最大值,正反应速率最大,由于此时没有HI,逆反应速率最小,为0,随着反应的进行,c(H2)和c(I2)越来越小,正反应速率越来越小,逆反应速率逐渐变大,直到平衡,v(正)=v(逆)。

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