2.3 课时2 化学反应的限度 学案（含答案） 2023-2024学年高一化学鲁科版（2019）必修第二册

2.3 课时2　化学反应的限度
【学习目标】
1.了解化学反应的可逆性,通过化学平衡状态的建立,理解化学平衡的概念及化学平衡的特征。
2.了解化学平衡的概念和特征,能够判断平衡状态,知道条件改变时化学平衡会发生移动。
3.认识化学反应的进行是有一定限度的。
4.能根据化学反应速率及化学平衡的影响因素分析控制化学反应的条件,培养“科学态度与社会责任”的学科素养。
【自主预习】
一、化学反应的限度——化学平衡状态
1.可逆反应
(1)定义:在相同条件下同时向正、逆两个方向进行的反应。
(2)表示方法:书写可逆反应的化学方程式时不用“”而用“”。
(3)特点
①正向反应和逆向反应　　　　进行。
②正向反应和逆向反应的条件　　　　。
③在一定条件下,反应物　　　　全部转化为生成物。
【微点拨】
对于一个确定的可逆反应A+B3C,向右进行的方向为反应的正方向,向左进行的方向为反应的逆方向。
2.化学平衡状态
(1)化学平衡状态的建立
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。其化学反应速率与时间关系如图所示。
①反应开始时:v(正)最大,v(逆)为　　　　,原因是反应物浓度　　　　,生成物浓度为0。
②反应过程中:v(正)逐渐　　　　,v(逆)逐渐　　　　,原因是反应物浓度逐渐　　　　,生成物浓度逐渐　　　　。
③反应达到平衡时(t1后):v(正)=v(逆),反应物和生成物的浓度　　　　　。
(2)化学平衡状态的概念
在一定条件下可逆反应进行到一定程度时,反应物和生成物的浓度不再随时间的延长而　　　　,正反应速率和逆反应速率　　　　,这种状态称为化学平衡状态。
二、化学平衡状态的改变
1.实验探究改变温度对化学平衡的影响
2NO2(g)N2O4(g)(正反应方向为放热反应)受温度的影响
(1)现象
改变温度 混合气体颜色 c(NO2)
升温(浸入热水) 变深 增加
降温(浸入冷水) 变浅 减小
(2)结论
①当其他条件不变时,升高反应体系的温度,化学平衡向　　　　反应方向移动;降低反应体系的温度,化学平衡向　　　　反应方向移动。
②同一可逆反应在不同条件下将建立起不同的化学平衡状态。
2.影响化学平衡移动的因素
影响因素有　　　　、　　　　、　　　　等。
【答案】一、1.(3)①同时　②相同　③不可能
2.(1)①0　最大　②减小　增大　减小　增大　③不再改变　(2)发生变化　相等
二、1.(2)①吸热　放热　2.浓度　温度　压强
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的反应叫可逆反应。 (　　)
(2)在同一条件下,同时向正、逆两个方向进行的反应叫可逆反应。 (　　)
(3)任何可逆反应都有一定的限度。 (　　)
(4)化学反应的限度不可改变。 (　　)
(5)化学反应的限度与时间的长短无关。 (　　)
(6)化学反应限度理论可指导怎样使用有限原料提高产率。 (　　)
(7)化学反应速率理论可指导怎样在一定时间内增大产品的生产效率。 (　　)
(8)正确利用化学反应速率和化学反应限度理论可提高化工生产的综合经济效益。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√
(7)√　(8)√
2.化学反应进行一段时间后,各组分的浓度相等或正好等于化学计量数之比时,化学反应是否达到平衡
【答案】不一定,化学反应达到平衡时各组分浓度不变,但不一定相等,也不一定等于化学计量数之比。
3.改变可逆反应的限度有哪些途径
【答案】改变可逆反应体系的温度、溶液中溶质的浓度、气体压强(或浓度)等。
4.化工生产中控制反应条件的原则是什么
【答案】在化工生产中,为了提高反应进行的程度而调控反应条件时,需要考虑控制反应条件的成本和实际可能性。
【合作探究】
任务1　化学反应(限度)平衡状态的理解和判断
情境导入　德国化学家哈伯对合成氨进行了全面系统的研究,两年间进行了6500多次的实验,终于在1909年取得了鼓舞人心的成果,但在600 ℃的高温、200个大气压和以锇为催化剂的条件下,产率仅为6%。这说明了什么 产率为什么会如此之低,你有什么猜测
问题生成
1.上述合成氨反应的产率较低,能否说明反应完全进行
【答案】不能,该反应为可逆反应。
2.有以下两组反应:(1)2H2+O22H2O;2H2O2H2↑+O2↑。(2)NH3+HClNH4Cl;NH4ClNH3↑+HCl↑。这两组反应互为逆反应吗 为什么
【答案】不是,因为每组中两个反应的反应条件都不相同。
3.通过改变反应条件能否使2 mol SO2(g)和过量的O2(g)反应得到2 mol SO3
【答案】否,因为该反应为可逆反应,反应物和生成物共存,2 mol SO2不可能完全转化,所以得到的SO3的物质的量一定小于2 mol。
4.一定条件下,一个可逆反应进行到最大限度就是达到化学平衡状态,这时反应就停止了吗
【答案】反应没有停止,只是正、逆反应速率相等,但不为零。这时反应还发生着,只不过同一物质消耗的量和生成的量相同,它们的量维持动态平衡,从外观看好像不反应了,但实际是动态平衡。
【核心归纳】
1.化学平衡状态的特征概括为逆、等、动、定、变
2.化学平衡状态的判断
对于密闭容器中的反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),根据对化学平衡状态概念的理解,判断下列各情况是否达到平衡。
可能的情况举例 平衡状况
混合物体系中各组分的含量 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡
各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡
各气体的体积或体积分数一定 平衡
总压强、总体积、总物质的量一定 不一定平衡
正、逆反应速率 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
在单位时间内消耗了n mol B,同时生成p mol C 不一定平衡
v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q 不一定平衡
在单位时间内生成了n mol B,同时消耗q mol D 不一定平衡
压强 当m+n≠p+q,压强不再变化(恒温、恒容) 平衡
当m+n=p+q,压强不再变化 不一定平衡
混合气体的平均相对分子质量() 当m+n≠p+q,一定 平衡
当m+n=p+q,一定 不一定平衡
温度 任何化学反应都伴随着能量变化,在其他条件不变的情况下,体系温度一定 平衡
气体的 密度 密度一定 不一定平衡
颜色 反应体系内有色物质的颜色不变,即有色物质的浓度不变 平衡
综上可知,化学平衡状态的判断依据大致可归为两类,其判断的技巧如下:
【典型例题】
【例1】　对于恒容密闭容器中的反应A(s)+3B(g)3C(g),根据对化学平衡状态概念的理解,判断下列各情况是否达到平衡。
(1)从化学反应速率的角度看,下列情况反应达到平衡状态的是　　　　　(填序号,下同)。
①C的生成速率与C的分解速率相等
②单位时间内生成a mol A,同时生成3a mol B
③单位时间内生成a mol A,同时生成3a mol C
④v(B)=v(C)
⑤v(B)正∶v(C)逆=1∶1
(2)从组成含量的角度看,下列情况反应达到平衡状态的是　　　　。
①B的浓度不再变化
②混合气体总的物质的量不再发生变化
③A、B、C的物质的量之比为1∶3∶3
④B与C的物质的量浓度相等
⑤混合气体的密度不再变化
⑥体系的总压强不变
⑦混合气体的平均相对分子质量不再变化
【答案】(1)①③⑤　(2)①⑤⑦
【微思考】
若A为气体,第(2)问①~⑦中达到平衡状态的情况有哪些
【答案】①②⑥⑦
任务2　平衡转化率的有关计算及平衡图像分析(拓展应用)
【典型例题】
【例2】　在一定温度下,发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),起始时,充入的N2和H2的物质的量分别是3.0 mol和6.0 mol,平衡时生成NH3的物质的量是2.4 mol。已知容器的容积为5.0 L,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　　　　(保留一位小数)。
【答案】(1)60%　(2)27.3%
【解析】　　N2(g)　+　3H2(g)　　2NH3(g)
起始/mol 3.0 6.0 0
转化/mol 1.2 3.6 2.4
平衡/mol 1.8 2.4 2.4
(1)H2的转化率=×100%=60%。
(2)N2的体积分数=×100%≈27.3%。
【解题模型】
“三段式”突破平衡转化率计算模型
　　　　mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)
起始/mol a b 0 0
转化/mol mx nx px qx
平衡/mol a-mx b-nx px qx
1.转化率:α(A)=×100%,α(B)=×100%。
2.气体体积分数(物质的量分数)
φ(A)=×100%,
φ(D)=×100%。
【例3】　在温度和容积均不变的密闭容器中,A气体与B气体反应生成C气体。反应过程中,反应物与生成物的浓度随时间变化的曲线如图所示,则下列叙述正确的是(　　)。
A.该反应的化学方程式是A(g)+3B(g)2C(g)
B.达到t1 s时该反应已停止
C.(t1+10) s时,升高温度,正、逆反应速率加快
D.若该反应在绝热容器中进行,也在t1 s时达到平衡
【答案】C
【解析】A项,从开始到t1s,A的浓度减小了 0.8 mol·L-1-0.2 mol·L-1=0.6 mol·L-1,B的浓度减小了0.5 mol·L-1-0.3 mol·L-1=0.2 mol·L-1,C的浓度增大了0.4 mol·L-1-0 mol·L-1=0.4 mol·L-1,所以该反应的化学方程式为3A(g)+B(g)2C(g),错误;B项,t1s时,反应达到平衡状态,正、逆反应速率相等,但反应并没有停止,错误;C项,升高温度,正、逆反应速率均加快,正确;D项,若该反应在绝热容器中进行,随着反应的进行,温度会发生变化,反应速率也会发生变化,因此不会在t1s时达到平衡,错误。
【解题技法】
化学反应速率与限度的图像分析
化学反应速率与化学反应限度问题常以图像的形式出现在平面直角坐标系中,可能出现反应物的物质的量、浓度、压强等因素。这类问题要按照“一看、二想、三判断”这三步来分析。
1.“一看”——看图像
(1)看面,弄清楚横、纵轴所表示的含义;
(2)看线,弄清楚线的走向和变化趋势;
(3)看点,弄清楚曲线上点的含义,特别是曲线上的折点、交点、最高点、最低点等;
(4)看辅助线,作横轴或纵轴的垂直线(如等温线、等压线、平衡线等);
(5)看量的变化,弄清楚是物质的量的变化、浓度的变化,还是转化率的变化。
2.“二想”——想规律
如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系,各物质的化学反应速率之比与化学计量数之比的关系,外界条件的改变对化学反应速率的影响规律以及反应达到平衡时,外界条件的改变对正、逆反应速率的影响规律等。
3.“三判断”
利用有关规律,结合图像,通过对比分析,做出正确判断。
【随堂检测】
1.下列有关化学反应限度的说法不正确的是(　　)。
A.任何可逆反应都有一定的限度
B.化学反应的限度是可以改变的
C.化学反应的限度与反应进行时间的长短有关
D.化学反应达到限度时,正、逆反应速率相等
【答案】C
【解析】可逆反应不能进行到底,在一定条件下,当正、逆反应速率相等时,达到反应限度,所以任何可逆反应都有一定的限度,A项正确;当外界条件发生变化时,反应限度可能发生改变,B项正确;无论时间多长,可逆反应都不可能完全转化,反应限度与时间的长短无关,但达到反应限度需要一定时间,二者不能混淆,C项错误;对于可逆反应,当正、逆反应速率相等时,反应达到限度,D项正确。
2.下列反应中,不属于可逆反应的是(　　)。
A.2NO2N2O4与N2O42NO2
B.H2+I22HI与2HIH2+I2
C.CO2+H2OH2CO3与H2CO3CO2↑+H2O
D.CaO+CO2CaCO3与CaCO3CaO+CO2↑
【答案】D
3.一定温度下,在体积不变的密闭容器中,可逆反应X(g)+3Y(g)2Z(g)达到平衡的标志是(　　)。
A.气体的总质量保持不变
B.X、Y、Z的浓度都相等
C.X、Y、Z的浓度均不再发生变化
D.X、Y、Z的分子数之比为1∶3∶2
【答案】C
【解析】反应物和生成物都是气体,故气体的总质量保持不变不能作为判断反应是否达到化学平衡状态的依据,A项错误;平衡时X、Y、Z的浓度取决于物质的起始物质的量和转化率,故X、Y、Z的浓度都相等不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据,B项错误;X、Y、Z的浓度均不再发生变化,说明反应达到平衡状态,C项正确;平衡时X、Y、Z的分子数之比取决于物质的起始物质的量和转化率,故X、Y、Z的分子数之比为1∶3∶2不能作为判断反应是否达到平衡状态的依据,D项错误。
4.500 ℃时,将2 mol N2和2.25 mol H2充入体积为10 L的恒容密闭容器中,反应达到平衡时,NH3的浓度不可能是(　　)。
A.0.1 mol·L-1 B.0.12 mol·L-1
C.0.05 mol·L-1 D.0.16 mol·L-1
【答案】D
【解析】由题意知,该反应中N2过量。假设2.25 mol H2完全参与反应,则生成NH3的浓度为0.15 mol·L-1,由于该反应是可逆反应,H2不可能完全转化生成NH3,故平衡时NH3的浓度小于0.15 mol·L-1。
5.在一体积为10 L的容器中,通入一定量的CO和H2O,850 ℃时发生反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)。
(1)CO和H2O浓度变化如图,则0~4 min的平均反应速率v(CO)=　　　　 mol·L-1·min-1。
(2)如图中4~5 min该反应　　　　(填“是”或“否”)处于平衡状态,判断理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)0.03
(2)是　c(CO)和c(H2O)不再发生变化
【解析】(1)v(CO)===0.03 mol·L-1·min-1。
(2)平衡时,反应物或生成物的浓度不再发生改变。
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