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第二节　化学反应的速率与限度
第2课时　化学反应的限度　化学反应条件的控制
第六章　化学反应与能量
课程标准 核心素养目标
1.了解可逆反应的含义，知道可逆反应在一定条件下能达到化学平衡状态。
2．认识化学变化是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。 1.变化观念与平衡思想：结合实例体会可逆反应存在限度，理解化学平衡状态的特征，发展“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。
2．科学态度与社会责任：从化学反应限度和快慢的角度解释生产、生活中的简单的化学现象，体会从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性，认识控制反应条件在生产和科学研究中的作用。
一、化学反应的限度
1．化学平衡状态的建立
以反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)为例，一定温度下，将一定量的SO2和O2的混合气体通入密闭容器中：
从化学反应速率的角度认识化学平衡状态的建立过程，如下图所示：
2．化学平衡状态的概念
(1)在一定条件下，某个可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率 ，反应物的浓度和生成物的浓度都不再 ，达到一种表面 的状态，我们称之为化学平衡状态，简称化学平衡。
(2)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。
(3)化学反应的限度决定了反应物在该条件下转化为生成物的 转化率。
相等
改变
静止
最大程度
最大
(4)转化率及其计算
转化
初始
[微点拨]　①任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度，不同反应的限度可能不同。
②改变反应条件(如温度、压强、浓度等)可以改变该化学平衡状态，从而在一定程度上影响反应的限度。
二、化学反应条件的控制
1．控制反应条件的目的和措施
目的 促进有利的化学反应 反应速率， 反应物的转化率即原料的利用率
抑制有害的化学反应 反应速率，控制 的发生，减少甚至消除有害物质的产生
措施 改变化学反应速率 改变反应体系的温度、反应物的浓度、气体的压强、固体的表面积，以及催化剂的合理使用等
提高
提高
降低
副反应
措施 改变可逆反应进行的限度 改变反应体系的温度、反应物的浓度、气体的压强等
2.化工生产中反应条件的调控
(1)考虑因素
在化工生产中，调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的 和
。
成本
实际可能性
(2)实际案例——工业合成氨条件的控制
温度 压强
温度较低 实际 压强较大 实际
有利：氨的产率较高 不利：反应速率小、生产成本高 常用温度400～500 ℃ 有利：氨的产率较高 不利：对动力和生产设备的要求高 常用压强10 MPa～30 MPa
◆名师点拨
化学平衡状态的理解
(1)化学平衡的研究对象是可逆反应，且反应通常要在密闭容器中和一定条件下进行。只有可逆反应才能达到化学平衡状态。
(2)在相同条件下，一个可逆反应无论从反应物(正反应方向)开始，还是从生成物(逆反应方向)开始，最终都能达到同一个平衡状态。
◆名师点拨
化学平衡状态的特征
×
√
√
×
×
◆名师点拨
提高燃料的燃烧效率
(1)燃料燃烧的条件
①燃料与足量的空气(或氧气)充分接触。
②温度需达到燃料的着火点。
(2)提高燃料燃烧效率的措施
①增大燃料与空气的接触面积(如将固体燃料粉碎、将液体燃料雾化等)。
②通入充足的空气或氧气。
③选用保温性能良好的炉膛材料，以减少热量散失。
④回收利用烟道废气中的余热。
探究一 化学平衡状态的判断
[问题设计]
(1)反应进行足够长时间后，哪些物质中含有18O？据此可得出什么结论？
提示：二氧化硫(SO2)、氧气(O2)和三氧化硫(SO3)中均含有18O。说明在该可逆反应中，正反应(SO2与O2反应生成SO3)与逆反应(SO3分解为 SO2和O2)同时进行，反应物与生成物之间不断发生原子交换。
提示：①SO2、SO3和O2的浓度保持不变；②SO2的消耗速率与SO2的生成速率相等；③SO3的体积分数或质量分数保持不变；④容器内气体的总压强保持不变(答案合理即可)。
(1)化学平衡状态判断“三关注”：
①关注反应条件：明确体系是恒温恒容、恒温恒压，还是绝热恒容等容器条件。
②关注反应特点：判断反应是否为等体积反应，或为非等体积反应。
③关注特殊情况：注意是否有固体参与反应或生成，或是否为固体分解反应。
(2)化学平衡状态判断“两标志”
①动态标志： v正＝v逆≠0。
总之，若某一物理量由“变量”变为“不变量”，通常可以作为判断平衡状态的依据；若该量在反应过程中始终保持恒定，则不能作为判断平衡状态的标志。
B
[例1] 在温度和容积不变的条件下，对于反应2NO2(g) 2NO(g)＋O2(g)，下列可作为反应达到平衡状态的标志是 (　　)
A．NO2、NO、O2各物质的浓度之比为2∶2∶1
B．容器内气体颜色不再变化
C．2v正(NO2)＝v逆(O2)
D．容器内气体的密度保持不变
解答本题的思路如下：
(1)分析反应体系的特点，该体系在恒温、恒容条件下进行，且该可逆反应正向是气体分子总数增加的反应。
(2)分析各选项所涉及的物理量，判断其在反应过程中是否为变量。若某一物理量由“变量”转为“不变量”，则可作为判断反应达到平衡状态的依据。
NO2、NO和O2的浓度在反应过程中均为变量，达到平衡时保持不变，但它们的浓度比为2∶2∶1时，反应不一定达到平衡状态；只有NO2是红棕色气体，当气体颜色不变时，说明c(NO2)保持不变，反应已达到平衡状态；v正(NO2)表示正反应速率，v逆(O2)表示逆反应速率，平衡时应满足v正(NO2)＝2v逆(O2)；三种物质都是气体，且在恒容条件下反应，混合气体的密度始终保持不变，故不能作为判断是否达到平衡状态的依据。
[深度思考]当c(NO2)∶c(NO)或c(NO)∶c(O2)保持不变时，该反应是否达到平衡状态？为什么？
提示：c(NO2)∶c(NO)不变时，该反应达到平衡状态；c(NO)∶c(O2)不变时，不能判断该反应是否达到平衡状态，因为NO和O2都是生成物，其浓度之比始终等于2∶1。
C
1．一定温度下，恒容密闭容器中，CO与Cl2在催化剂的作用下发生反应生成光气(COCl2)：CO(g)＋Cl2(g) COCl2(g)。下列说法能说明该反应达到化学平衡状态的是 (　　)
A．容器内气体的质量不再变化
B．CO、Cl2、COCl2的浓度相等
C．容器内气体的总压不再变化
D．消耗1 mol CO的同时生成1 mol COCl2
容器内各物质都呈气态，依据质量守恒定律，不管反应是否达到平衡，气体的质量始终不发生改变；CO、Cl2、COCl2的浓度相等，可能是反应过程中的某个阶段，不一定是平衡状态；反应前后气体的分子数不等，随着反应的进行，混合气体的压强不断发生改变，当容器内气体的总压不再变化时，反应达平衡状态；消耗1 mol CO的同时生成1 mol COCl2，反应进行的方向相同，反应不一定达到平衡状态。
探究二 化学反应条件的控制
提示：升高温度、增大反应物浓度、使用催化剂等。
(2)采取哪些措施可提高SO2的利用率和平衡混合气中SO3的含量？
提示：适当增大O2浓度、增大体系的压强、降低反应温度等。
(1)提高燃料燃烧效率的措施
(2)化工生产中反应条件的控制
C
该反应是可逆反应，存在反应限度，反应物不可能100%转化为生成物； 使用催化剂增大了反应速率，缩短了反应时间，提高了生产效率；由于SO2与O2的起始量未知，达到平衡时，SO2与O2的浓度比不确定；增大反应物O2的浓度，平衡向正反应方向移动，提高了SO2的转化率。
D
2．二甲醚(CH3OCH3)是一种新型能源，由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备，其反应为2CO(g)＋4H2(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g)(放热反应)。实际生产中为提高制备二甲醚的反应速率，下列措施不合理的是 (　　)
A．适当增大反应体系的压强
B．选择使用合适催化剂
C．增加合成气的用量
D．将CH3OCH3(g)液化并分离
适当增大反应体系的压强、使用合适催化剂及增加合成气的用量，均能增大反应速率；将CH3OCH3(g)液化并分离，减小生成物的浓度，反应速率减小。
C
1．在500 mL的恒温密闭容器中，加入2 mol X，在一定条件下发生如下反应：2X(g) Y(g)＋3Z(g)。下列说法不正确的是 (　　)
A．反应过程中容器内气体密度保持不变
B．反应到4 min时Y的生成速率大于Y的消耗速率
C．0～6 min内用Z表示的平均反应速率为1 mol/(L·min)
D．0～6 min容器内压强不断增大，6 min后不再变化，处于平衡状态
C
2．一定温度下，在2 L容积不变的密闭容器中发生反应：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)。反应过程中的部分数据如下表所示，下列说法不正确的是 (　　)
时间/min 物质的量/mol
n(CO2) n(H2) n(CH3OH) n(H2O)
0 2 8 0 0
3 1 1
6 0.5 1.5
9 3.5
A.0～3 min内，H2的平均反应速率为0.5 mol/(L·min)
B．若保持恒容，通入He使容器内压强增大，则反应速率保持不变
C．6～9 min内，3v正(H2)＝v逆(H2O)≠0
D．容器内的压强不再发生变化，说明反应已达平衡
B
催化剂能提高化学反应速率，从而缩短生产周期，提高生产效率；合成氨反应为可逆反应，反应物不能完全转化，故N2的转化率不可能达到100%；在其他条件不变时，升高温度通常会增大化学反应速率；通过调控反应条件，可使化学平衡正向移动，提高反应进行的程度。
B
4．在恒温恒容条件下，发生反应X(g)＋2Y(g) 3Z(g)，c(Y)随时间的变化如下图中的曲线甲所示。下列说法不正确的是 (　　)
A．从a、c两点坐标可求得该时间段内反应的平均速率
B．若c(Y)随时间变化如图曲线乙所示，且其他条件不变，则可能为降低反应温度所致
C．在不同时刻都存在关系：3v(Y)＝2v(Z)
D．反应过程中，容器内气体的密度保持不变
根据图中a、c两点的坐标，可计算出该时间间隔内物质Y的浓度变化量，进而求得反应的平均速率；若降低反应温度，化学平衡将发生移动，导致平衡时c(Y)与曲线甲不同，故降低温度对应的c(Y)随时间变化关系不能用曲线乙表示；根据反应速率之比等于化学计量数之比，有v(Y)∶v(Z)＝2∶3，即3v(Y)＝2v(Z)；在恒温恒容条件下，反应前后气体的质量不变，则气体的密度始终不变。
请回答下列问题：
(1)该反应为放热反应，则反应物的总键能____(填“高于”“等于”或“低于”)生成物的总键能。
(2)恒温恒容时，下列措施能增大该反应速率的是________(填序号，下同)。
a．增加O2的浓度 b．选择高效催化剂
c．充入氦气 d．适当降低温度
(3)下列情况能说明该反应达到化学平衡状态的是________。
a．2v正(O2)＝v逆(SO2)
b．恒温恒容时，混合气体的密度不再随时间变化
c．SO3的物质的量不再变化
d．SO2、O2、SO3三者的浓度之比为2∶1∶2
(4)某次实验中，向容积为2 L的恒温密闭容器中通入10 mol SO2和10 mol O2，反应过程中部分物质的物质的量随反应时间的变化如下图所示。
①2 min时，v正(SO2)________(填“>”“<”或“＝”)v逆(SO2)。
②用O2的浓度变化表示0～2 min内的平均反应速率是________mol/(L·min)。
③达到平衡时，容器内O2的体积百分数为________。
答案：(1)低于　(2)a、b　(3)a、c　
(4)①>　②0.625　③37.5%
(1)该反应是放热反应，因此反应物断裂化学键吸收的总能量小于生成物形成化学键释放的总能量。
(2)增加O2浓度，可增大化学反应速率；选择高效催化剂，可以增大化学反应速率；恒容条件下充入氦气，反应物浓度不变，化学反应速率不变；降低温度会使化学反应速率减小。
(3)根据化学计量关系，v正(O2)∶v逆 (SO2)＝1∶2，即2v正(O2)＝v逆 (SO2)，表明正、逆反应速率相等；反应前后气体质量和容器体积不变，混合气体的密度始终不变，不能作为平衡判据；SO3的物质的量不再变化是
反应达到平衡状态的直接判据；平衡时，各物质浓度之比取决于初始量和转化率，不一定等于化学计量数之比。
(4)①2 min时反应仍在正向进行，故v正(SO2)>v逆(SO2)。

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