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6.1第3课时　化学反应的限度
【学习目标】
1.了解可逆反应的概念,认识可逆反应的进行是有一定限度的。
2.了解化学平衡状态,能够判断平衡状态,初步建立变化观念与平衡思想。
【合作探究】
【学习情境】
硫酸是一种重要的化工产品,工业上制取硫酸过程中非常重要的一步就是将SO2氧化成SO3。但无论混合气体反应多长时间,SO2和O2都会有剩余。即使O2过量SO2也不能全部转化为SO3,为什么呢 SO2和O2的反应是一个可逆反应,在一定条件下,反应到达平衡状态。怎样判断一个化学反应已达到平衡状态呢
任务1　认识化学反应存在限度
【新知生成】
一、可逆反应
1.概念:同一条件下,既能向　　　　方向进行,又能向　　　　方向进行的化学反应叫作可逆反应。
2.表示:在可逆反应的化学方程式中,用“　　　”号代替“”号。
3.特点:一定条件下的可逆反应,反应物　　　全部转化成生成物,即反应有一定的　　　。
二、探究氯化铁溶液与碘化钾溶液反应的限度
序号 实验步骤 实验现象 实验结论
1 取5 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液,向其中加入1 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液,振荡
2 继续向上述溶液中加入2 mL苯,充分振荡后静置
3 分液后,重复步骤2的操作2~3次,将下层溶液分装在两支洁净的试管中,向其中一支试管滴加5~6滴15%硫氰化钾(KSCN)溶液
该实验说明:　 。
【答案】一、1.正反应　逆反应　2.　3.不能　限度
二、1.溶液颜色由无色变为黄褐色　有I2生成
2.溶液分层,下层为浅绿色,上层油状液体呈紫色反应中有Fe2+和I2生成　3.滴加硫氰化钾溶液的试管中溶液变为血红色　下层清液中存在未反应的Fe3+　在I-过量条件下,反应物Fe3+不能完全转化为生成物,该反应没有完全进行到底,有一定的限度
【核心突破】
典例1　将V1 mL 0.1 mol·L-1 Fe2(SO4)3溶液与2 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液混合,待充分反应后,下列方法可证明该反应具有一定限度的是(　　)。
A.若V1<1、加入淀粉
B.若V1≤1、加入KSCN溶液
C.若V1≥1、加入AgNO3溶液
D.加入Ba(NO3)2溶液
【答案】B
【解析】无论该反应是否属于可逆反应,始终会生成I2,加入淀粉一定显蓝色,A项不符合题意;根据反应2Fe3++2I-2Fe2++I2可知,当V1 =1,两者物质的量之比恰好等于化学计量数之比,V1<1说明硫酸铁不足,如果该反应具有一定的限度,则必有Fe3+剩余,加入KSCN溶液,溶液将变血红色,B项符合题意;根据离子方程式可知,S不参与反应,遇到AgNO3或Ba(NO3)2溶液都会出现沉淀,C、D两项不符合题意。
【归纳总结】
1.可逆反应的特点
2.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”。
训练1　可逆反应2SO2+O22SO3,若用2 mol SO2和1 mol 18O2在一定条件下,经足够长的时间反应。下列情况可能出现的是(　　)。
A.18O原子完全存在于SO3中
B.18O原子存在于O2、SO2、SO3中
C.生成2 mol SO3
D.SO2、SO3均为1.5 mol
【答案】B
【解析】可逆反应在相同条件下可以向正、逆两个反应方向进行,反应体系中各物质同时存在,由于三种物质均含有氧元素,故O原子可能存在于三种物质中;该反应是可逆反应,反应物不可能完全转化为生成物;根据硫元素质量守恒:n(SO2)+n(SO3)=2 mol。
任务2　化学平衡状态
【新知生成】
一、化学平衡状态
1.研究对象:一定条件下的 　　　　　。
2.概念:当正、逆反应的速率 　　　　时,反应物和生成物的浓度 　　　　发生变化的状态。
二、可逆反应的速率-时间图像
对于可逆反应2SO2+O22SO3,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。请画出正、逆反应速率随时间变化的曲线图。
【答案】一、1.可逆反应　2.相等 　不再
二、
【核心突破】
典例2　在一个恒温、恒容的密闭容器中,可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),达到化学平衡状态的标志为　　　　(填序号)。
①反应速率v(N2)∶v(H2)∶v(NH3)=1∶3∶2
②反应混合物中各组分的物质的量浓度不再改变
③反应混合气体的压强不再改变
④混合气体的密度不变
⑤n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)=1∶3∶2
⑥2v(N2)正=v(NH3)逆
⑦单位时间内3 mol H—H键断裂,同时2 mol N—H键断裂
⑧混合气体的平均相对分子质量不变
⑨N2和H2不再反应
【答案】②③⑥⑧
【解析】无论是否达到平衡状态,反应速率之比始终与化学方程式中的化学计量数之比相等,①不能说明反应达到平衡状态;由于气体的质量m不变,容器的体积V不变,故混合气体的密度ρ=始终不变,④不能说明反应达到平衡状态;反应达到平衡状态时n(N2)∶n(H2)∶n(NH3)不一定是1∶3∶2,⑤不能说明反应达到平衡状态;反应达到平衡状态时,反应并没有停止,⑨不能说明反应达到平衡状态;由2v正(N2)=v逆(NH3),v正(N2)∶v正(NH3)=1∶2,可知v正(N2)=v逆(N2)或v正(NH3)=v逆(NH3),⑥能说明反应达到平衡状态;⑦单位时间内3 mol H—H键断裂指的是正反应速率,同时2 mol N—H键断裂指的是逆反应速率,则v正(N2)≠v逆(N2),⑦说明反应未达到平衡状态;反应混合物中各组分的物质的量浓度、反应混合物气体的压强在反应过程中不断变化,所以②③能说明反应达到平衡状态;混合气体的平均相对分子质量可根据M=判断,由于m不变,而反应过程中气体的物质的量n减小,只有达到平衡时n才不再减小,M不再改变,⑧能说明反应达到平衡状态。
【归纳总结】
化学平衡状态的判断方法
1.根据正、逆反应速率相等
(1)同一物质:同一种物质的生成速率=消耗速率,即v正(A)=v逆(A)。
(2)不同物质:不同方向的化学反应速率之比=化学计量数之比,即v正(A)∶v逆(B)=A、B的化学计量数之比。
2.根据各组分浓度不变
(1)各组分质量、物质的量、分子个数、物质的量浓度不变;对于有颜色变化的可逆反应,颜色不再改变;反应物的转化率不再变化。
(2)各组分的质量分数、物质的量分数、气体的体积分数不变。
(3)反应前后气体化学计量数改变的反应:气体的总物质的量、恒温恒容条件下气体的总压强不变。
(4)恒温恒容条件下,有固体或液体参加的反应:混合气体的密度不变。
(5)恒温恒压条件下,反应前后全是气体且气体化学计量数改变的反应:混合气体的密度不变。
3.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。
4.总结
(1)对化学平衡状态的判断,从不同角度出发可以得到多种判断依据,如物质的量、浓度、压强、体积分数、温度、密度、颜色等,但最终都体现v正=v逆,各组分浓度保持不变。
(2)“变”“不变”判断法:
某一物理量在从开始到平衡的过程是“变化”的,而达平衡后则“不变”,则此物理量是判断平衡状态的标志。
训练2　在两个恒容的密闭容器中进行下列两个可逆反应:
甲:2NO2(g)2NO(g)+O2(g)
乙:H2(g)+I2(g)2HI(g)
现有下列状态:
①反应物的消耗速率与生成物的生成速率之比等于系数之比
②反应物的消耗速率与生成物的消耗速率之比等于系数之比
③速率之比等于系数之比的状态
④浓度之比等于系数之比的状态
⑤百分含量之比等于系数之比的状态
⑥混合气体的颜色不再改变的状态
⑦混合气体的密度不再改变的状态
⑧混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
⑨体系温度不再改变的状态
⑩压强不再改变的状态
反应物的浓度不再改变的状态
反应物或生成物的百分含量不再改变的状态
(1)能表明甲达到化学平衡状态的是　　　　。
(2)能表明乙达到化学平衡状态的是　　　　。
(3)能表明甲、乙都达到化学平衡状态的是　　　　。
【答案】(1)②⑥⑧⑨⑩　 (2)②⑥⑨　(3)②⑥⑨
【解析】恒容条件下进行两个反应,甲是反应后气体物质的量增加的反应,压强不变、混合气体的平均相对分子质量不变能说明反应已经达到平衡状态;乙是反应后气体物质的量不变的反应,压强不变、混合气体的平均相对分子质量不变不能说明反应已经达到平衡状态。因为没有固体和液体参与反应,气体的总质量和体积不变,反应前后气体的密度不变,气体密度不变不能判断反应是否达到平衡状态。甲中的NO2有颜色,乙中的I2(g)有颜色,两容器中混合气体的颜色不再改变时,说明有色物质的浓度不再改变,两个反应都达到平衡状态;化学反应中都会伴随能量变化,要么放热要么吸热,当体系温度不变时,说明反应达到平衡状态;反应物的消耗速率与生成物的消耗速率之比等于系数之比、反应物的浓度不再改变、反应物或生成物的百分含量不再改变都能说明反应体系中同一物质的消耗速率和生成速率相等,反应达到了平衡状态。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.一定条件下,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(已知:转化率=×100%)
D.c1的取值范围为0【答案】D
【解析】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两项不正确;平衡时Y生成速率表示逆反应速率,Z生成速率表示正反应速率且v生成(Y)∶v生成(Z)应为3∶2,B项不正确;由可逆反应的特点可知02.将1 mol氨基甲酸铵(H2NCOONH4)置于密闭容器中(假设容器体积不变,固体试样体积忽略不计)。在恒定温度下使其分解达到平衡:H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。下列能说明该化学反应达到平衡状态的是(　　)。
A.正、逆反应速率都为零
B.体系压强保持不变
C.c(NH3)∶c(CO2)=2∶1
D.CO2的体积分数保持不变
【答案】B
【解析】化学平衡为动态平衡,平衡时正、逆反应速率相等,但不等于0,A项错误;该反应为气体体积增大的反应,压强为变量,当体系压强不变时,表明正、逆反应速率相等,该反应达到平衡状态,B项正确;c(NH3)∶c(CO2)=2∶1,无法判断各组分的浓度是否继续变化,则无法判断平衡状态,C项错误;反应中NH3(g)与CO2(g)的体积比始终为2∶1,故其体积分数保持不变不能作为达到平衡的标志,D项错误。
3.在一密闭容器中加入A和B,各物质的物质的量浓度随着反应进行的变化如图所示。下列说法不正确的是(　　)。
A.该反应的化学方程式为5A+4B4C
B.2 min时,该反应达到平衡,此时A、B、C的浓度比为5∶4∶4
C.用B的浓度变化表示0~2 min内的反应速率为2 mol·L-1·min-1
D.2 min后各物质浓度不再发生改变,反应达到最大限度
【答案】B
【解析】根据2 min内A、B、C物质的量浓度的变化趋势和具体数值可知A、B为反应物,C为生成物,且化学计量数之比
5∶4∶4,同时根据2 min后各物质的浓度保持不变,说明达到平衡状态,该反应为可逆反应,综合得该反应的化学方程式为5A+4B4C,A项正确;由图可知2 min时,A、B、C的物质的量浓度分别为1 mol·L-1、3 mol·L-1、4 mol·L-1,B项错误;根据v(B)==2 mol·L-1·min-1,C项正确;2 min后各物质浓度不再发生改变,反应达到最大限度,D项正确。
4.一定温度下,某容积为2 L的密闭容器内,某一反应中M、N(均为气体)的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示。
(1)该反应的化学方程式是
　　　　　　　　　　　。
(2)在图上所示的三个时刻中,　　　　(填“t1”、“t2”或“t3”)时刻反应处于平衡状态。
(3)若反应容器的容积不变,则“压强不再改变”　　　　(填“能”或“不能”)作为该反应已达到平衡状态的判断依据。
(4)下列措施能增大反应速率的是　　　　(填字母)。
A.升高温度　　　B.降低压强
C.减小M的浓度　D.将反应容器体积缩小
【答案】(1)2NM　(2)t3　(3)能　(4)AD
【解析】(2)达到平衡状态时,各物质的物质的量不再发生变化,由曲线的变化可知t3时刻处于平衡状态。
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