2025版高一化學必修第二冊（含不定項選擇）第六章 第二節(jié) 第2課時 化學反應的限度 化學反應條件的控制

第2課時化學反應的限度化學反應條件的控制課標定向目標定位1.了解可逆反應的含義,知道可逆反應在一定條件下能達到化學平衡。能從化學反應限度的角度解釋生產、生活中簡單的化學現(xiàn)象。(宏觀辨識與微觀探析)2.能描述化學平衡狀態(tài),判斷化學反應是否達到平衡。(變化觀念與平衡思想)3.了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用,能初步解釋化學實驗和化工生產反應條件的選擇問題,體會從限度和速率兩個方面認識和調控化學反應的重要性。(科學探究與創(chuàng)新意識)厘清重點化學平衡狀態(tài)建立的過程,化學平衡狀態(tài)的定義,特征和標志突破難點化學平衡狀態(tài)的標志學習任務一:化學反應的限度化學反應條件的控制必備知識·導學[引入]煉鐵高爐尾氣之謎:生產中煉制生鐵所需焦炭的實際用量,遠高于按照化學方程式計算所需的量,人們發(fā)現(xiàn)從高爐爐頂出來的氣體中總是含有未利用的CO且CO的比例(含量)是不變的。你知道這是為什么嗎?[知識回顧]可逆反應1.含義:在同一條件下,既能向正反應方向進行,同時又能向逆反應方向進行的化學反應。2.特征3.表示方法:化學方程式用“”連接,如N2+3H22NH32SO2+O22SO3Cl2+H2OHClO+HClSO2+H2OH2SO3[新知導學]一、化學反應的限度1.化學平衡狀態(tài)的建立(1)過程(2)圖像描述[思考]可逆反應中存在正、逆雙向速率,溫度升高,正、逆反應速率如何變化?提示:溫度升高,正、逆反應速率均增大。2.化學平衡狀態(tài)(1)概念在一定條件(溫度、濃度、壓強等)下,當可逆反應進行到一定程度時,正反應速率與逆反應速率相等,反應物的濃度和生成物的濃度都不再改變,達到一種表面靜止的狀態(tài),稱為化學平衡狀態(tài),簡稱化學平衡。(2)特征[思考]化學反應在一定條件下建立平衡狀態(tài)時,化學反應將會停止嗎?提示:平衡狀態(tài)時,正、逆反應均在進行,不會停止。3.化學反應的限度注意:不同條件下,化學反應的限度不同,即改變條件可以在一定程度上改變一個化學反應的限度。二、化學反應條件的控制1.化學反應條件控制的目的2.考慮因素化工生產中調控反應條件時,需要考慮控制反應條件的成本和實際可能性。判對錯·通教材判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)1molN2和3molH2在一定條件下可完全反應生成2molNH3。 (×)提示:該反應為可逆反應,不能完全轉化。(2)一定條件下,可以通過延長化學反應的時間來改變反應物的最大轉化率。 (×)提示:反應物的最大轉化率是該條件下化學反應的最大限度,條件不變,反應物的最大轉化率不會改變。(3)化學反應達到化學平衡狀態(tài)時正、逆反應速率相等,是指同一物質的消耗速率和生成速率相等,若用不同物質表示時,反應速率不一定相等。 (√)提示:反應速率與方程式的化學計量數(shù)有關,用不同物質表示時,反應速率不一定相等。(4)可逆反應進行一定時間后,各組分的濃度相等或正好等于化學計量數(shù)之比時,可逆反應達到平衡。 (×)提示:可逆反應達到平衡時,各組分的濃度保持不變,不一定相等,也不一定等于化學計量數(shù)之比。(5)工業(yè)合成氨,既要考慮化學反應速率,又要考慮產物的產量,還需要考慮設備的耐溫和耐壓能力等因素。 (√)提示:工業(yè)合成氨中要考慮化學反應速率,產量,生產成本等一系列的問題。核心要點·歸納化學平衡狀態(tài)的四個要點(1)前提:“一定條件”,即正、逆反應必須在同一反應條件(如溫度、壓強等)下進行。(2)使用范圍:“可逆反應”,反應不能進行到底,反應物和生成物同時存在于同一反應體系中。(3)微觀實質:正、逆反應速率相等。(4)宏觀特征:各組分的濃度保持不變。微點撥·拓教材關于催化劑的幾點認識1.催化劑具有高效性、專一性、穩(wěn)定性。2.催化劑能極大改變反應速率,反應過程中參與反應,反應結束又生成,其化學性質和質量在反應前后不發(fā)生變化。3.催化劑中毒:反應原料中含有的微量雜質使催化劑的活性、選擇性明顯下降或喪失的現(xiàn)象。中毒現(xiàn)象的本質是微量雜質和催化劑活性中心發(fā)生化學作用,形成沒有活性的物質。4.催化劑只有在一定的溫度下才能最大限度地顯示其催化作用,不同的催化劑對溫度的要求不一樣。學力診斷·測評對于在密閉容器中進行的可逆反應2SO2(g)+18O2(g)2SO3(g),下列說法正確的是 ()A.容器內只含有18O2、SO2、SO3三種分子B.18O只存在18O2分子中C.容器內含有18O2、S18O2、S18O3等分子D.反應達到限度時,所有物質的質量都相等【解析】選C。該反應為可逆反應,在混合氣體中充入一定量的18O2,SO2和18O2反應生成SO3中含有18O,同時SO3分解生成SO2和O2,則SO2中含有18O原子,則18O原子存在于O2、SO2和SO3中,達到平衡狀態(tài),容器內含有18O2、S18O2、S18O3分子,還可能含有SO2、SO3分子,故A、B錯誤,C正確;反應達到限度時,所有物質的質量不再變化,但是不一定是相等的,故D錯誤。[易錯提醒]本題考查化學反應的可逆性,題目難度不大,注意可逆反應的特點,同位素原子在反應中的存在形式,此類題目易出錯?！狙a償訓練】1.以下是2SO2+O22SO3在不同條件下達到平衡狀態(tài)時SO2的轉化率。溫度/℃壓強/MPa0.10.511040099.2%99.6%99.7%99.9%50093.5%96.9%97.8%99.3%60073.7%85.8%89.5%96.4%(1)從以上數(shù)據分析,要實現(xiàn)SO2轉化率為93.5%,需控制的反應條件是什么?提示:500℃、0.1MPa。(2)從以上數(shù)據分析提高該化學反應限度的途徑有哪些?提示:可以采取增大壓強或在一定范圍內降低溫度等方法。2.如圖所示為工業(yè)合成氨的流程圖。下列有關生產條件的調控作用分析正確的是()(1)步驟①中“凈化”可以防止催化劑中毒(2)步驟②采用“加壓”,因為壓強增大,正反應速率增大,逆反應速率減小(3)步驟②采用的壓強是2×107Pa,因為在該壓強下鐵觸媒的活性最大(4)步驟③選擇高效催化劑是合成氨反應的重要條件(5)步驟④⑤有利于提高原料的利用率,能節(jié)約生產成本A.(1)(4)(5) B.(2)(4)(5)C.(3)(4)(5) D.(2)(3)(5)【解析】選A。(1)工業(yè)合成氨的原料氣中往往包含CO、H2S、CO2等雜質,容易造成催化劑中毒,降低催化效果,因此在反應前先凈化,可以防止催化劑中毒,故符合題意;(2)增大壓強,正、逆反應速率均增大,故不符合題意;(3)采用的壓強是2×107Pa,同時考慮對設備強度和生產成本的要求,不是因為在該壓強下鐵觸媒的活性最大,故不符合題意;(4)選擇合適的催化劑可以加快反應速率,因此選擇高效催化劑是合成氨反應的重要條件,故符合題意;(5)由于合成氨反應為可逆反應,反應物不能反應完全,步驟④⑤,將未反應完全的氫氣和氮氣再循環(huán),有利于提高原料的利用率,能節(jié)約生產成本,故符合題意。學習任務二:化學平衡狀態(tài)的判斷必備知識·探究[情境]合成氨反應的化學方程式為N2+3H22NH3。假設該反應在體積不變的密閉容器中發(fā)生,分析思考下列問題:(1)單位時間內生成2amolNH3,同時消耗amolN2時,該反應是否達到平衡狀態(tài)?請解釋原因。提示:無法判斷。單位時間內生成2amolNH3,同時消耗amolN2,只描述正反應速率,不知道逆反應速率。(2)生成NH3與生成N2速率之比等于2∶1,該反應是否達到平衡狀態(tài)?請解釋原因。提示:是?；瘜W平衡時,用同一種物質表示時異向速率相等即v正=v逆,用不同物質表示時,異向速率之比等于化學計量數(shù)之比,該題代表異向速率,且符合化學計量數(shù)之比。(3)容器內混合氣體的密度不隨時間變化時,該反應是否達到平衡狀態(tài)?請解釋原因。提示:無法判斷。ρ=m總V總,氣體總質量和體積不變,核心要點·歸納“兩審”“兩標志”突破化學平衡狀態(tài)的判斷一、“兩審”一審題干條件,是恒溫恒容還是恒溫恒壓;二審反應特點:①全部是氣體參與的等體積反應還是非等體積反應;②有固體或液體參與的等體積反應還是非等體積反應。二、“兩標志”1.直接標志(1)正、逆反應速率相等①同種物質:v正=v逆≠0,(同一種物質的生成速率等于消耗速率)②不同種物質:v正(a.在化學方程式同一邊的不同物質的生成速率與消耗速率之比等于化學計量數(shù)之比b.在化學方程式兩邊的不同物質的生成(或消耗)速率之比等于化學計量數(shù)之比(2)各組分的濃度保持一定①各組分的濃度不隨時間的改變而改變②各組分的質量分數(shù)、物質的量分數(shù)、體積分數(shù)不隨時間的改變而改變2.間接標志以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)為例類型判斷依據是否為平衡狀態(tài)混合物體系中各成分的含量①各物質的物質的量或各物質的物質的量的分數(shù)一定平衡②各物質的質量或各物質質量分數(shù)一定平衡③各氣體的體積或體積分數(shù)一定平衡④總體積、總壓強、總物質的量一定不一定平衡正、逆反應速率的關系①在單位時間內消耗了mmolA同時生成mmolA,即v(正)=v(逆)平衡②在單位時間內消耗了nmolB同時消耗了pmolC,則v(正)=v(逆)平衡③在單位時間內生成nmolB,同時消耗了qmolD,因均指v(逆)不一定平衡④v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,v(正)不一定等于v(逆)不一定平衡壓強①m+n≠p+q時,總壓強一定(其他條件一定)平衡②m+n=p+q時,總壓強一定(其他條件一定)不一定平衡混合氣體平均相對分子質量M①Mr一定時,當m+n≠p+q平衡②Mr一定時,當m+n=p+q不一定平衡溫度任何反應都伴隨著能量變化,當體系溫度一定時平衡顏色反應體系內有色物質的顏色一定平衡體系的密度恒溫恒容時,密度一定不一定平衡恒溫恒壓時,若m+n≠p+q,則密度一定時平衡恒溫恒壓時,若m+n=p+q,則密度一定時不一定平衡【拓展】①對同一物質而言,斷裂化學鍵的物質的量與形成化學鍵的物質的量相等則一定處于平衡狀態(tài)②對絕熱密閉容器,溫度保持不變則一定處于平衡狀態(tài)③若反應中有固體或液體,平均相對分子質量一定、密度一定則一定處于平衡狀態(tài)學力診斷·測評在一定溫度下,向恒容密閉容器中充入一定量的A氣體和B氣體進行下述反應:A(g)+B(g)2C(g)+D(s)。下列表述不能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是()A.2v正(A)=v逆(C)B.容器中混合氣體的密度不再變化C.容器中混合氣體總壓強不再發(fā)生變化D.容器中混合氣體的平均相對分子質量不再變化【解析】選C。2v正(A)=v逆(C),說明該反應正逆反應速率相等,能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài),A正確;該反應中D是固體,反應前后氣體總質量發(fā)生改變,容器體積不變,所以混合氣體的密度是變量,當容器中混合氣體的密度不再變化,能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài),B正確;該反應是氣體體積不變的反應,反應前后體系的壓強始終不變,不能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài),C錯誤;混合氣體的平均相對分子質量M=m總n總,該反應中D是固體,反應前后氣體總質量發(fā)生改變,反應前后混合氣體的總物質的量不變,所以混合氣體的平均相對分子質量是變量,當混合氣體的平均相對分子質量不再變化時,[解題策略]三關注:①關注反應條件,是恒溫恒容,恒溫恒壓,還是絕熱恒容容器;②關注反應特點,是等體積反應,還是非等體積反應;③關注特殊情況,是否有固體參加或生成,或固體的分解反應。【補償訓練】1.在一絕熱(不與外界發(fā)生熱交換)的恒容容器中,發(fā)生反應:2A(g)+B(s)C(g)+D(g),下列描述中能表明反應已達到平衡狀態(tài)的是 ()①容器內溫度不變②混合氣體的密度不變③混合氣體的平均相對分子質量不變④B的質量不變⑤容器內C、D兩種氣體的濃度相等A.②③⑤ B.①②③④C.①②④⑤ D.②③④⑤【解析】選B。①該反應中溫度是變量,當容器內溫度不變時,表明正、逆反應速率相等,反應達平衡狀態(tài),①項符合題意;②該反應中混合氣體總質量是變量,容器容積為定值,則混合氣體的密度是變量,混合氣體的密度不變,表明正逆反應速率相等,達到平衡狀態(tài),②項符合題意;③混合氣體總質量為變量,混合氣體的物質的量為定值,則混合氣體的平均相對分子質量為變量,當混合氣體的平均相對分子質量不變時,表明達到平衡狀態(tài),③項符合題意;④該反應中B的質量是變量,當B的質量不變時,表明正、逆反應速率相等,反應達平衡狀態(tài),④項符合題意;⑤由反應2A(g)+B(s)C(g)+D(g)可知,開始只加入A和B,則反應后C、D兩種氣體的濃度始終相等,不能根據C、D兩種氣體的濃度相等,判斷平衡狀態(tài),⑤項不符合題意;由上分析①②③④符合題意,答案選B。2.下列說法中能說明2HI(g)H2(g)+I2(g)已達到平衡狀態(tài)的是_________。

(1)單位時間內生成nmolH2的同時生成nmolHI;(2)一個H—H鍵斷裂的同時有兩個H—I鍵斷裂;(3)c(HI)=c(I2);(4)反應速率:v(H2)=v(I2)=2v(HI);(5)c(HI)∶c(I2)∶c(H2)=2∶1∶1;(6)溫度和體積一定時,某一生成物濃度不再變化;(7)溫度和體積一定時,容器內壓強不再變化;(8)條件一定,混合氣體的平均相對分子質量不再變化;(9)溫度和體積一定時,混合氣體的顏色不再發(fā)生變化;(10)溫度和壓強一定時,混合氣體的密度不再發(fā)生變化。【解析】(1)生成nmolH2的同時生成nmolHI,說明正反應速率大于逆反應速率。(2)一個H—H鍵斷裂(逆反應方向)的同時有兩個H—I鍵斷裂(正反應方向),即v(正)=v(逆)。(3)平衡狀態(tài)時c(HI)、c(I2)濃度不變,但不一定相等。(4)無論是否達到平衡狀態(tài)都有這樣的關系。(5)平衡狀態(tài)時不一定有這樣的濃度關系。(6)生成物濃度不變,說明反應達到平衡狀態(tài)。(7)無論是否達到平衡,容器內的壓強都不變。(8)氣體的總質量不變,氣體的總物質的量也不變,故無論是否達到平衡狀態(tài),混合氣體的平均相對分子質量都不變化。(9)反應體系中顏色不變即說明c(I2)不再變化,說明反應達到平衡狀態(tài)。(10)由于反應前后,氣體的體積不變,且混合氣體的質量不變,故混合氣體的密度始終不發(fā)生變化。即(2)(6)(9)能說明反應已達到平衡狀態(tài)。答案:(2)(6)(9)3.一定溫度下,已知反應N2O4(g)2NO2(g)?，F(xiàn)將1molN2O4充入一恒壓密閉容器中,下列示意圖正確且能說明反應達到平衡狀態(tài)的是 ()A.①③ B.②③ C.①④ D.②④【解析】選C。①恒壓條件下,反應正向建立平衡,氣體體積增大,氣體的總質量不變,未平衡前氣體密度逐漸減小,故密度是變量,其不變反應達到平衡狀態(tài);②恒壓條件下,壓強是恒量,不能作為判斷平衡狀態(tài)的標志;③題給反應充入1molN2O4,正反應速率應逐漸減小直到不變,不符合題意;④隨反應的進行,N2O4的轉化率是變量,其不變證明反應達到平衡狀態(tài)。學情檢測·素養(yǎng)達標1.(2024·日照高一檢測)可以充分說明可逆反應A(g)+3B(g)3C(g)+D(g),在恒溫下達到平衡狀態(tài)的是 ()A.反應器內壓強不隨時間變化而變化B.反應器內A、B、C、D四種氣體共存C.生成A的速率和生成的D的速率相等D.生成1molA同時有3molC的消耗【解析】選C。該反應是反應前后氣體的物質的量不變的反應,所以無論平衡與否氣體的壓強都不會發(fā)生變化,反應器內壓強不變不能說明反應達到平衡狀態(tài),A不符合題意;該反應是可逆反應,故反應物和生成物均可共存,所以反應器內A、B、C、D四種氣體共存不能說明反應達到平衡狀態(tài),B不符合題意;A和D的化學計量數(shù)一樣,生成A的速率和生成D的速率相等,即v正=v逆,反應達到平衡,C符合題意;無論平衡與否,生成1molA的同時一定消耗3molC,不能說明反應達到平衡,D不符合題意。[易錯提醒]可逆反應總是不能進行到底,得到的總是反應物與生成物的混合物,但反應物和生成物共存不能判斷其是否達到平衡。2.(雙選)在一定條件下發(fā)生反應:2A(g)+2B(g)xC(g)+2D(g),在2L密閉容器中,把4molA和2molB混合,2min后達到平衡時生成1.2molC,又測得v(D)=0.2mol·L-1·min-1,下列說法正確的是 ()A.A和B的轉化率均是20%B.x=3C.平衡時A的物質的量為2.8molD.平衡時氣體壓強比原來的大【解析】選B、D。2min時生成n(D)=0.2mol·L-1·min-1×2min×2L=0.8mol,根據化學方程式知,n消耗(A)=n消耗(B)=n生成(D)=0.8mol,A的轉化率為n消耗n初始×100%=0.8mol4mol×100%=20%,B的轉化率為n消耗n初始×100%=0.8mol2mol×100%=40%,故A錯誤;2min內v(C)=1.222mol·L-1·min-1=0.3mol·L-1·min-1,v(C)∶v(D)=x∶2=0.3mol·L-1·min-1∶0.2mol·L-1·min-1=3∶2,則x=3,故B正確;平衡時n(A)=(4-0.8)mol=3.2mol,故【補償訓練】(2024·徐州高一檢測)下列有關化學反應速率、化學反應限度的說法正確的是 ()A.反應C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),增加碳的用量可加快反應速率B.用鐵片與稀硫酸反應制H2,改用98%的濃硫酸可加快生成H2的速率C.工業(yè)合成氨反應在密閉容器中進行,壓縮容器體積,可使反應速率加快D.可逆反應達到化學平衡狀態(tài)時,正、逆反應的速率相等且都為0【解析】選C。增加固體的量,濃度不變,所以反應速率不變,故A錯誤;Fe在濃硫酸中鈍化,不能生成氫氣,所以不能加快反應速率,故B錯誤;壓縮容器體積,增大壓強氣體反應體系中各物質的濃度增大,反