化学反应的限度化学反应条件的控制.docx
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化学反应的限度化学反应条件的控制
第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制）
[目标导航] 1.了解可逆反应的含义及其特征。
2.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。
3.初步了解化学反应达到平衡状态的标志。
4.了解控制反应条件在生产和科研中的作用。
一、化学反应的限度
1．可逆反应：
（1）概念：
在同一条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应。
（2）特征：
反应不能进行到底，或者在一定条件下反应物与生成物同时存在。
2．化学平衡状态
（1）建立过程：
如对于可逆反应2SO2＋O2
2SO3，在一定温度下，将2molSO2（g）和1molO2（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。
①
反应开始时，正反应速率最大，原因是反应物浓度最大；逆反应速率为0，原因是生成物浓度为0。
②反应进行中，正反应速率的变化是逐渐减小，原因是反应物浓度逐渐减小；逆反应速率的变化是逐渐增大，原因是生成物浓度逐渐增大。
③反应一段时间（t1）后，正反应速率和逆反应速率的关系是大小相等，反应物的浓度不再改变，生成物的浓度不再改变。
（2）概念：
对于可逆反应，如果外界条件（温度、浓度、压强等）不发生改变，当可逆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不再改变，达到一种表面静止的状态，称为“化学平衡状态”，简称化学平衡，化学平衡状态是化学反应所能进行的最大限度。
（3）特征：
①等：
v正＝v逆≠0。
②动：
化学平衡状态是一种动态平衡。
达到平衡状态时，反应并没有停止，这时正反应和逆反应都依然在进行。
③定：
反应物的浓度和生成物的浓度不再改变。
④变：
外界条件（温度、浓度、压强等）一旦改变，化学平衡状态就会被破坏，并在新的条件下建立新的化学平衡。
点拨 化学反应速率改变，平衡不一定发生移动，如反应前后气体体积不变的反应增大压强或使用催化剂，正逆反应速率变化程度相同，v（正）＝v（逆），平衡不移动；平衡发生移动，化学反应速率一定发生改变，移动的根本原因是外界条件改变，使v（正）≠v（逆）。
【议一议】
1．判断正误：
（1）任何可逆反应都有一定的限度。
（ ）
（2）化学反应达到限度时，正、逆反应速率相等。
（ ）
（3）化学反应的限度与时间的长短无关。
（ ）
（4）化学反应的限度是不可改变的。
（ ）
答案
（1）√
（2）√ （3）√ （4）×
二、反应条件的控制
1．化学反应条件的控制
（1）目的：
促进有利的化学反应，抑制有害的化学反应。
（2）基本措施
①改变化学反应速率：
改变反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强、固体的表面积以及催化剂的合理使用等。
②改变可逆反应进行的限度：
改变可逆反应体系的温度、物质的浓度、气体的压强等。
2．提高煤的燃烧效率
（1）煤燃烧时，将煤块粉碎成煤粉目的是增大与空气中O2的接触面积增大，煤粉燃烧更充分，反应速率快；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。
【议一议】
2．
（1）有两个化学反应：
2H2＋O2
2H2O，2H2O
2H2↑＋O2↑，它们属于可逆反应吗？
（2）可逆反应达到平衡后，正反应和逆反应是不是都停止了？
答案
（1）不是。
可逆反应是在同一条件下，正向反应和逆向反应同时进行的化学反应。
以上两个反应是分别在点燃和电解两个不同条件下的反应，不属于可逆反应。
（2）不是。
可逆反应达到平衡后，正反应和逆反应都仍然进行，只是正反应使反应物的减少量（生成物的增加量）与逆反应使反应物的增加量（生成物的减少量）相等，从表面看没有变化。
一、化学平衡状态
【例1】 可逆反应：
2NO22NO＋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nmolO2的同时生成2nmolNO2
②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO
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．①④⑥⑦B．②③⑤⑦
C．①③④⑤D．全部
答案 A
解析 ①中单位时间内生成nmolO2的同时必消耗2nmolNO2，知v（正）＝v（逆），所以①能说明达到平衡状态；②所描述的都是指正反应方向的速率，无法判断；③无论达到平衡与否，物质的反应速率之比等于化学方程式中物质的化学计量数之比；④有色气体的颜色不变能够说明达到了化学平衡；因容器体积固定，密度是一个常数，所以⑤不能说明；该反应是一个反应前后气体体积不等的反应，容器的体积又固定，所以⑥⑦均能说明达到平衡。
规律总结
化学平衡状态的判断
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．间接标志
（1）反应体系中的总压强不随时间的改变而变化（适用于反应前后气体体积不等的反应）。
（2）混合气体的密度不随时间的改变而变化（适用于反应前后气体体积不等且无固体、液体参与或生成的反应）。
（3）对于反应混合物中存在有颜色变化的物质的可逆反应，若体系中颜色不再改变，则反应达到平衡状态。
（4）全是气体参加的反应前后化学计量数改变的可逆反应，平均相对分子质量保持不变。
（5）对同一物质而言，断裂化学键的物质的量与形成化学键的物质的量相等。
变式训练1 在一定温度下，反应H2（g）＋I2（g）2HI（g）达到化学平衡状态的标志是（ ）
A．单位时间内生成nmolH2，同时就有nmolHI生成
B．单位时间内有nmolH2生成，同时就有nmolI2生成
C．容器内气体的总压强不随时间的变化而变化
D．1个H—H键断裂的同时，有2个H—I键断裂
答案 D
解析 选项A，生成H2是逆反应，生成HI是正反应，根据化学方程式中的化学计量数关系，如果正、逆反应速率相等，则生成nmolH2的同时应有2nmolHI生成，因此A选项并没有达到化学平衡。
选项B，生成H2和生成I2均是逆反应，没有说明正反应速率，且不管平衡是否建立，只要反应进行，生成H2和I2的物质的量之比始终为1∶1。
因此B选项并不一定达到化学平衡。
选项C，该反应前后气体总的物质的量保持不变，在其他条件一定时，反应从开始到反应达到平衡状态时，压强就一直保持不变，故气体总的压强不变不能说明反应已经达到平衡状态。
选项D，断裂H—H键是正反应，断裂H—I键是逆反应，根据化学方程式的化学计量数关系，断裂1个H—H键的同时，有2个H—I键断裂，其正反应速率等于逆反应速率，因此D选项一定达到了化学平衡状态。
二、有关化学平衡的简单计算
【例2】 X、Y、Z为三种气体，把amolX和bmolY充入一密闭容器中，发生反应X＋2Y2Z。
达到平衡时，若它们的物质的量满足：
n（X）＋n（Y）＝n（Z），则Y的转化率为（ ）
A.
×100%B.
×100%
C.
×100%D.
×100%
答案 B
解析 设反应达平衡时消耗Y物质的量为x。
则：
X ＋ 2Y2Z
起始量/molab0
转变量/mol
xx
平衡量/mola－
b－xx
依题意可得：
＋（b－x）＝x
x＝
mol
Y的转化率为：
×100%＝
×100%，选B。
规律总结
解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时，一般需要写出化学方程式，列出起始量、变化量及平衡量，再根据题设其他条件和定律列方程求解。
如：
mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g）
起始/molab00
转化/molmxnxpxqx
平衡/mola－mxb－nxpxqx
（1）关于反应物转化率的计算
A的转化率＝
×100%（计算式中A的量可以指反应物的物质的量、质量、浓度、体积等）
（2）关于某组分的体积分数的计算
A的体积分数＝
×100%
注意 ①转化量与化学方程式中各物质的化学计量数成比例；②这里a、b可指物质的量、浓度、体积等；③对反应物：
平衡时的量＝起始的量－转化的量；对生成物：
平衡时的量＝起始的量＋转化的量。
同时要注意差量法、守恒法等简单计算方法在化学平衡中的应用。
变式训练2 在容积可变的密闭容器中，2molN2和8molH2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于（ ）
A．5%B．10%C．15%D．20%
答案 C
解析 达到平衡时，H2转化的物质的量为8mol×25%＝2mol。
在一定条件下，N2与H2发生反应：
N2＋3H2
2NH3
起始物质的量/mol280
转化物质的量/mol
2
平衡物质的量/mol
6
同温同压下，气体的体积比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为
×100%≈15%。
1．可逆反应达到化学平衡状态的重要特征是（ ）
A．反应停止了
B．正、逆反应的速率都为0
C．正、逆反应都还在进行
D．正、逆反应的速率相等且不为0
答案 D
2．在一定温度下的恒容密闭容器中，能说明反应X2（g）＋Y2（g）2XY（g）已达到平衡的是（ ）
A．容器内的总压强不随时间变化
B．容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化
C．XY气体的物质的量分数不变
D．X2和Y2的消耗速率相等
答案 C
解析 该反应的特点：
一是可逆反应；二是反应前后气体体积相等。
根据气体压强之比等于气体物质的量之比推断，该反应在整个反应过程中总压强是不变的，A不能说明该反应已经达到平衡；同理推断，容器中气体的平均相对分子质量始终不随时间变化而变化，B不能说明该反应已经达到平衡；X2和Y2的化学计量数相等且均为反应物，其消耗速率始终相等。
3．下列说法中不正确的是（ ）
A．当一个可逆反应达到平衡状态时，就是这个反应在该条件下所能达到的限度
B．当一个可逆反应达到平衡状态时，这个反应的正反应速率和逆反应速率相等
C．可以通过控制反应条件，使2molSO2与1molO2反应生成2molSO3
D．化学反应的限度可以通过改变条件来改变
答案 C
解析 对于可逆反应，达到平衡状态时，正、逆反应速率相等，反应物的转化率最大，A、B项正确；2SO2＋O22SO3是可逆反应，无论怎样控制条件，反应物的转化率不可能达到100%，即2molSO2与1molO2反应不会生成2molSO3，C项错；化学反应的限度可通过改变条件，如温度、压强等来改变，D项正确。
4．（双选）下列说法不正确的是（ ）
A．化石燃料在任何条件下都能充分燃烧
B．化石燃料在燃烧过程中能产生污染环境的CO、SO2等有害气体
C．直接燃烧煤不如将煤进行深加工后燃烧效果好
D．固体煤变为气体燃料后，燃烧效率将更低
答案 AD
解析 化石燃料只有在适当的温度和有足量氧气存在的情况下才能充分燃烧，化石燃料不经处理直接燃烧可产生CO、SO2等有害气体。
化石燃料（煤）经深加工后变为气体燃料，不仅减少SO2的排放，而且能提高燃烧效率，所以A、D选项的说法是错误的。
故答案为AD。
5．将等物质的量的氢气和碘蒸气放入密闭容器中进行反应：
H2（g）＋I2（g）2HI（g）（正反应放热），反应经过5分钟测得碘化氢的浓度为0.5mol·L－1，碘蒸气的浓度为0.25mol·L－1。
请填写以下空白：
（1）v（HI）＝________；v（H2）＝________；氢气的起始浓度＝________。
（2）若上述反应达到平衡时，则平衡浓度c（HI）、c（I2）、c（H2）的关系是______（填“相等”、“2∶1∶1”或“均为恒量”）。
答案
（1）0.1mol·L－1·min－1 0.05mol·L－1·min－1 0.5mol·L－1
（2）均为恒量
[经典基础题]
题组1 控制反应条件
1．煤本身是可燃物质，但是块状的煤用明火靠近都不燃烧，而当煤变为粉末状态时，在空气中达到一定的浓度遇明火即迅速爆炸，其原因是（ ）
A．粉末状态的煤比块状煤的着火点低
B．粉末状态的煤比块状煤放出的热量多
C．粉末状态的煤比块状煤的总表面积大
D．粉末状态的煤呈气态，属于可燃性气体
答案 C
解析 煤变为粉末状态时，总表面积大，与空气中的氧气密切接触时，一旦遇见火源，便发生剧烈的氧化还原反应。
2．下列反应中可判断为可逆反应的是（ ）
A．氢气在氯气中燃烧生成氯化氢，氯化氢受热分解生成氢气和氯气
B．氮气与氢气在高温、高压、催化剂作用下可以生成氨气，同时氨气又分解为氮气和氢气
C．单质溴可以置换出碘，氯气又可以置换出溴
D．氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，次氯酸在光照条件下可分解为盐酸和氧气
答案 B
题组2 正确理解化学平衡状态
3．下列关于化学反应限度的叙述错误的是（ ）
A．不同的化学反应，限度可能不同
B．可以通过改变温度来控制化学反应的限度
C．可以通过延长化学反应的时间来改变反应的限度
D．当一个化学反应在一定条件下达到限度时，正、逆反应便停止不再进行
答案 CD
解析 不同的化学反应，限度会有所不同。
限度可以通过改变温度、浓度等条件来改变，但时间对化学反应的限度没有影响，因为反应达到限度后，正、逆反应速率均已相等（但不为零），不再随时间的延长而改变。
4．在一定温度下，向密闭容器中充入一定量的NO2和SO2，发生反应：
NO2＋SO2NO＋SO3，当化学反应达到平衡时，下列叙述正确的是（ ）
A．SO2和SO3的物质的量一定相等
B．NO2和SO3的物质的量一定相等
C．反应混合物的总物质的量一定等于反应开始时NO2和SO2的总物质的量
D．SO2、NO2、NO、SO3的物质的量一定相等
答案 C
解析 题中没有给出各物质的投料情况，NO2、SO2和SO3的量之间没有必然的关系，可能相等，也可能不等，A、B、D项错；该反应反应前后气体分子数不变，故反应混合物的总物质的量一定等于反应开始时NO2和SO2的总物质的量，C项正确。
题组3 化学平衡状态标志的判断
5．在一定温度下，可逆反应2A（g）＋3B（g）2C（g）达到平衡的标志是（ ）
A．A的生成速率与C的分解速率相等
B．单位时间生成2nmolA，同时生成3nmolB
C．A、B、C的浓度不再变化
D．A、B、C的分子数之比为2∶3∶2
答案 C
解析 A项，A的生成速率与C的分解速率都表示逆反应速率；B项，不管反应是否平衡，单位时间内生成nmolA的同时一定生成3nmolB，即v（正）不一定等于v（逆）；A、B、C的浓度不再变化，表明已达到平衡状态；但平衡状态时A、B、C的分子数之比不一定为2∶3∶2，故D不正确。
6．下列说法可充分说明P（g）＋Q（g）S（g）＋R（g）在恒温下，某恒容密闭容器中的反应已达平衡的是（ ）
A．容器里P、Q、R、S四种物质共存
B．容器里Q、R的体积分数不再改变
C．容器内气体压强、密度不随时间变化
D．单位时间内同时生成nmolP和nmolS
答案 BD
解析 由化学平衡特征可知，B即“定”的直接判断；D即“等”v（正）＝v（逆）。
7．一定温度下在一定体积的密闭容器中，下列叙述不能作为可逆反应A（g）＋3B（g）2C（g）达到平衡状态标志的是（ ）
①C的生成速率与C的消耗速率相等 ②单位时间内生成amolA，同时生成3amolB ③A、B、C的浓度不再变化 ④C的物质的量不再变化 ⑤混合气体的总压强不再变化 ⑥混合气体的总物质的量不再变化 ⑦单位时间消耗amolA，同时生成3amolB ⑧A、B、C的分子数之比为1∶3∶2
A．②⑧B．④⑦C．①③D．⑤⑥
答案 A
解析 关于平衡状态的判断，一定要根据实际反应分析选项，判断是否达到平衡状态，只有在平衡状态下具备的性质才能作为“标志”。
本题中的反应是一个反应前后气体物质的量不等的可逆反应。
②在反应过程中的任意时刻都符合。
⑧可能是平衡状态，也可能不是平衡状态。
题组3 有关化学平衡的计算
8．一定条件下，对于反应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）。
达平衡时，X、Y、Z浓度分别为0.1mol·L－1、0.3mol·L－1和0.08mol·L－1，则下列判断不合理的是（ ）
①c1∶c2＝1∶3 ②平衡时，Y和Z的生成速率之比2∶3
③X和Y的转化率不相等 ④c1的取值范围为0＜c1＜0.14mol·L－1
A．①②B．③④C．①④D．②③
答案 D
解析 分析浓度变化关系：
X（g）＋3Y（g）2Z（g）
c起始/（mol·L－1）c1c2c3
c平衡/（mol·L－1）0.10.30.08
反应的化学方程式中反应物化学计量数之比为1∶3，所以反应中X和Y必然以1∶3消耗，因为达平衡时X和Y浓度之比为1∶3，故c1∶c2＝1∶3，①正确；平衡时Y和Z的生成速率之比应该和化学方程式对应化学计量数之比相等，故Y和Z的生成速率之比为3∶2，②错误；由于起始时反应物是按化学方程式化学计量数之比配料，故X和Y转化率相等，③错误；运用极限法，假设Z完全转化为反应物，c1的极限值为0.14mol·L－1，而题设c1＞0，反应又是可逆的，故④也正确。
9．在一定温度下，发生如下反应：
N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），起始时，充入的N2和H2的物质的量分别是3.0mol和6.0mol，平衡时生成NH3的物质的量是2.4mol。
已知容器的容积为5.0L，试求：
（1）H2的转化率是________。
（2）平衡时混合气体中N2的体积分数是________。
答案
（1）60%
（2）27.3%
解析
N2 ＋ 3H2 2NH3
起始3.0mol6.0mol0mol
转化1.2mol3.6mol2.4mol
平衡1.8mol2.4mol2.4mol
（1）H2的转化率＝
×100%＝60%。
（2）N2的体积分数＝
×100%≈27.3%。
[能力提升题]
10.
已知：
①工业上合成氨：
N2＋3H22NH3的反应为可逆反应；②铁触媒是合成氨反应的催化剂，能同等程度地加快合成氨的正、逆反应速率，但不能改变合成氨反应的限度；③在一定条件下进行的合成氨反应的速率随反应时间变化的曲线如图所示。
（1）上述合成氨反应进行到________时刻达到最大反应限度。
（2）t3时，向反应混合物中加入了铁触媒，请你在图中画出t3后的速率随反应时间变化的曲线图。
答案
（1）t2
（2）
11.
在某一容积为5L的密闭容器内，加入0.2mol的CO和0.2mol的H2O（g），在催化剂存在的条件下高温加热，发生如下反应：
CO（g）＋H2O（g）
CO2（g）＋H2（g），反应放出热量。
反应中CO2的浓度随时间变化的情况如图所示：
（1）根据图中数据，从反应开始至达到平衡时，CO的化学反应速率为________；反应平衡时c（H2）＝________。
（2）判断该反应达到平衡的依据是________（填序号）。
①CO减小的化学反应速率和CO2减小的化学反应速率相等
②CO、H2O、CO2、H2的浓度都相等
③CO、H2O、CO2、H2的浓度都不再发生变化
④正、逆反应速率都为零
答案
（1）0.003mol·L－1·min－1 0.03mol·L－1
（2）①③
解析
（1）由图可知10min时反应达到平衡，所以v（CO）＝
＝
＝0.003mol·L－1·min－1，反应时转化的浓度之比＝化学方程式中化学计量数之比，所以Δc（H2）＝Δc（CO）＝0.03mol·L－1。
（2）达到平衡的标志是各物质的物质的量分数保持一定，浓度不变，正、逆反应速率相等且不为零。
CO减小的化学反应速率是正反应速率，CO2减小的化学反应速率是逆反应速率，所以选①③。
12．在2L密闭容器内，800℃时反应2NO（g）＋O2（g）2NO2（g）体系中，n（NO）随时间的变化如表：
时间（s）
0
1
2
3
4
5
n（NO）/mol
0.020
0.010
0.008
0.007
0.007
0.007
（1）下图表示NO2的变化的曲线是________。
用O2表示从0～2s内该反应的平均速率v＝________。
（2）能说明该反应已达到平衡状态的是________。
a．v（NO2）＝2v（O2）b．容器内压强保持不变
c．v逆（NO）＝2v正（O2）d．容器内密度保持不变
（3）为使该反应的反应速率增大，下列措施正确的是________。
a．及时分离出NO2气体b．适当升高温度
c．增大O2的浓度d．选择高效催化剂
答案
（1）b 1.5×10－3mol·（L·s）－1
（2）bc
（3）bcd
解析
（1）NO2的起始浓度为c（NO2）＝0，2s时c（NO2）可根据图表中n（NO）的变化量求解，c（NO2）＝
mol·L－1＝0.006mol·L－1，故答案选b。
由图表可求0～2s内v（NO）＝
mol·（L·s）－1＝0.003mol·（L·s）－1，故v（O2）＝1.5×10－3mol·（L·s）－1。
（2）a：
在任意状态下，都存在v（NO2）＝2v（O2）这样的速率关系，不能作为平衡状态的标志，故a错。
b：
因该反应为气体体积不等的反应，故压强不变可作为平衡状态的标志。
c：
由v逆（NO）＝2v正（O2），可推出v逆（NO）＝v正（NO），说明已达到平衡状态。
d：
由于平衡体系中全是气体，容器体积固定，故任意状态下密度不变，故d错。
（3）及时分离出NO2气体，只能使平衡向正反应方向移动，不能增大反应速率，故a错；因该反应为放热反应，适当升高温度，虽使反应速率增大，但平衡向逆反应方向移动，故b错；增大O2的浓度既能增大反应速率，又能使平衡向正反应方向移动，故c正确；催化剂只能增大反应速率，不能影响化学平衡的移动，故d错。
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