2.2 化学反应的限度课件（共75张ppt）鲁科版（2019）选择性必修一第2章

(共75张PPT)
化学反应的限度
在工业生产和实验室中，人们会遇到各种各样的可逆反应，如合成氨的反应：
该反应在一定条件下不可能进行完全，即存在一定的限度。反应限度对人类的生产活动和日常生活有着重要影响。因此，对化学反应来说，仅研究化学反应的方向是远远不够的，还需要关注化学反应的限度问题。那么，怎样才能定量地描述化学反应的限度呢？
研究表明，可逆反应在适当条件下进行一段时间后一定会达到化学平衡状态。此时，平衡混合物的组成不再随时间的延续而变化，反应达到一定的限度。在研究了大量实验的基础上，人们发现可以用化学平衡常数来定量描述化学反应的限度。
第1课时
化学平衡常数
那么什么是化学平衡常数？
该如何表示？
如何计算？
怎么用它来比较反应的限度大小呢？
序号 初始浓度×10-2 mol/L 平衡浓度×10-2 mol/L
c始(H2) c始(I2) c始(HI) c平(H2) c平(I2) c平(HI)
1 1.067 1.196 0 0.183 0.313 1.767
2 1.135 0.904 0 0.356 0.125 1.559
3 1.134 0.751 0 0.457 0.074 1.354
4 0 0 1.069 0.114 0.114 0.841
5 0 0 0.449 0.048 0.048 0.353
根据表中数据计算平衡时 的值，并分析其中规律。
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
54.5
54.6
54.4
54.3
54.3

表中所列为测量反应I2(g) +H2(g) 2HI(g)在698.6K时各物质的初始浓度和平衡浓度所获得的数据。
再对比反应I2(g) +H2(g) 2HI(g)在730.6K时各物质的初始浓度和平衡浓度所获得的数据，寻找其中的规律。
序号 初始浓度×10-2 mol/L 平衡浓度×10-2 mol/L
c始(H2) c始(I2) c始(HI) c平(H2) c平(I2) c平(HI)
1 1.197 0.694 0 0.561 0.059 1.270 48.38
2 1.228 0.996 0 0.384 0.152 1.687 48.61
3 1.201 0.840 0 0.458 0.097 1.486 49.54
4 0 0 1.520 0.169 0.169 1.181 48.48
5 0 0 1.287 0.143 0.143 1.000 48.71
6 0 0 3.777 0.421 0.421 2.934 48.81
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
分析实验数据，思考下列问题：
(1)相同温度，达到化学平衡状态时 的数值相同吗？
(2)这个常数与反应的起始浓度大小有关吗？
(3)这个常数与正向建立还是逆向建立平衡有关系吗？
无关。即与平衡建立的过程无关。
无关。
相同，是个常数。
c平2(HI)
c平(H2)c平(I2)
一定温度下，当可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)达到平衡状态时，生成物平衡浓度的幂之积与反应物平衡浓度的幂之积的比值是一个常数，这个常数称为化学平衡常数，简称平衡常数。
K =
意义：
反映了化学反应可能进行的程度，平衡常数的数值越大，说明反应进行得越完全。
写出下表中各反应的平衡常数表达式和单位。
交流研讨
序号 反应 K 单位
① 1/2N2(g)+3/2H2 (g) NH3(g) (mol·L-1)-1
② N2(g)+3H2 (g) 2NH3 (g) (mol·L-1)-2
③ 2NH3(g) N2(g)+3H2 (g) (mol·L-1)2
④ NH3 H2O(aq) NH4+(aq)+OH—(aq) mol·L-1
⑤ FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g) 1
⑥ AgCI(s) Ag+(aq)+CI—(aq) (mol·L-1)2
c平(NH3)
c平(N2)1/2c平(H2)3/2
c平(NH3)2
c平(N2)c平(H2)3
c平(N2)c平(H2)3
c平(NH3)2
c平(NH4+)c平(OH—)
c平(NH3 H2O)
c平(CO2)
c平(CO)
c平(Ag+)c平(Cl—)
纯固体和液体浓度为1，不列入K 的表达式
1.对于一化学反应，K的表达式是唯一吗 平衡常数的表达式与哪些因素有关？
不唯一。化学平衡常数的表达式取决于化学方程式的系数，对于确定反应还与温度有关。
2.对于一可逆反应，其正反应和逆反应的K有什么关系？
互为倒数，单位不同。
3.如果浓度的单位是mol L—1，将浓度单位代入化学平衡常数表达式，可得到K的单位。由上述结果分析K的单位与反应的化学方程式存在什么关系？
K的单位与化学方程式的书写方式相对应。
序号 反应 K 单位
① 1/2N2(g)+3/2H2 (g) NH3(g) (mol·L-1)-1
② N2(g)+3H2 (g) 2NH3 (g) (mol·L-1)-2
③ 2NH3(g) N2(g)+3H2 (g) (mol·L-1)2
c平(NH3)
c平(N2)1/2c平(H2)3/2
c平(NH3)2
c平(N2)c平(H2)3
c平(N2)c平(H2)3
c平(NH3)2
K1
K2
K3
K12 =K2 = 1/K3
平衡常数的表达式与方程式的书写相对应
化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。若反应方向改变，则平衡常数改变。若方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小，尽管是同一个反应，平衡常数也会改变。
多重平衡规则：若干化学方程式相加(减)，则总反应的平衡常数等于分步平衡常数之乘(除)
例如: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) K1
2NO2(g) N2O4 (g) K2
2NO(g) +O2(g) N2O4 (g) K 3
K 3 = K1 K2
1.比较同一可逆反应在不同条件下进行的程度。
K的数值越大，反应程度越大。
2.判断化学反应可能进行的程度。
K＞105或106时 ，反应进行的较完全；
10-5K＞10-5或10-6时，反应很难正向进行。
二、K的应用
对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)
达到平衡状态时, K=
任意状态时：
浓度商Q =
在某温度下，用浓度商Q与K比较大小来判断是否达到平衡。
3.判断可逆反应是否达到平衡状态。
cc(C)·cd(D)
ca(A)·cb(B)
对于可逆反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)
cc(C)·cd(D)
ca(A)·cb(B)
任意状态时：
浓度商Q =
达到平衡状态时, K=
Q = K 反应状态_________________ 。
Q < K 反应状态 ________________。
Q > K 反应状态________________ 。
平衡状态
反应正向进行
反应逆向进行
已知一定条件下，A(g) 2B(g)达到平衡，再加入一定量的A，平衡向________反应方向移动。
平衡时，K =
加入一定量的A后，
平衡向正反应方向移动
4.判断可逆反应平衡移动的方向
c平(B)2
c平(A)
Q 正
根据某反应的平衡常数K随温度变化的情况，可判断该反应是放热反应还是吸热反应。
①若升高温度，K值增大，则正反应为吸热反应；
②若升高温度，K值减小，则正反应为放热反应。
5.利用K可判断反应的热效应
第2课时
平衡转化率
在工业生产中，合成氨的反应：
联想质疑
该反应在一定条件下存在一定的限度。但是在实际生产中，用平衡常数K表示反应限度有时不够直观，不知道反应物到底反应了多少，同时生成了多少产物。因此在实际应用中，常用平衡转化率α来表示一定条件下的反应限度。
对于化学反应：aA + bB cC + dD，反应物A的平衡转化率可以表示为：
二、平衡转化率
α(A) = ———————————————————×100%
初始时A的物质的量 - 平衡时A的物质的量
初始时A的物质的量
★物质的平衡转化率越大，表示反应程度越大。
★对于溶液体系和恒容的气态反应体系，可以用物质的量浓度进行计算。
某温度下将H2和I2各0.1 mol的气态混合物充入10 L密闭容器中充分反应,达到平衡后,测得H2的浓度为0.008 mol·L-1。
(1)求该温度下的平衡常数。
(2)求H2的转化率。
化学反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)是硫酸制造工业的基本反应。将0.050mol SO2(g)和0.030mol O2(g)注入体积为1.0L的密闭反应器，并置于某较高温度下的恒温环境中，达到化学平衡后，测得反应器中有0.044mol SO3(g)，求该温度下反应的平衡常数及SO2、O2的平衡转化率。
解析： 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
初始浓度/(mol·L－1) 0.050 0.030 0
转化浓度/(mol·L－1) 0.044 0.022 0.044
平衡浓度/(mol·L－1) 0.006 0.008 0.044
K = =
c平2(SO2) c平(O2)
c平2(SO3)
α(SO2)= ×100%
=
c始(SO2)-c平(SO2)
c始(SO2)
×100%
=80%
=6.7×103mol-1·L
(0.006 mol·L-1)2×0.008 mol·L-1
(0.044 mol·L-1)2
0.050 mol·L-1-0.006 mol·L-1
0.050 mol·L-1
α(O2)= ×100%
=
c始(O2)-c平(O2)
c始(O2)
×100%
=73%
0.030 mol·L-1-0.008 mol·L-1
0.030 mol·L-1
答： 该温度下反应的平衡常数为6.7×103mol-1·L，SO2的平衡转化率为88%，O2的平衡转化率为73%。
对于一个已标明化学方程式的化学反应，温度一定时只有一个平衡常数，但不同反应物的平衡转化率却可能不同。因此，脱离具体的反应物谈化学反应的平衡转化率是没有意义的。
归纳总结
1200℃时测得反应H2(g)+CO2(g) H2O(g)+CO(g)的平衡常数K为2.25。若反应从H2(g)和CO2(g)开始，且H2(g)和CO2(g)的初始浓度均为0.0100mol L—1时，计算各物质的平衡浓度及H2和CO2的平衡转化率。
解析：设平衡时生成的H2O(g)的浓度为X。
H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g)
初始浓度/(mol·L－1) 0.0100 0.0100 0 0
转化浓度/(mol·L－1) x x x x
平衡浓度/(mol·L－1)0.0100-x 0.0100-x x x
解方程得：x1=0.0060mol·L-1，x2=0.0300mol·L-1
x2＞c始(H2)不合理，应舍去，则：c平(H2)=c平(CO2)=0.0100
mol·L-1-x=0.0100mol·L-1-0.0060mol·L-1=0.0040mol·L-1
K = =
c平(H2) c平(CO2)
=2.25
(0.0100 mol·L-1-x)2
x2
c平(H2O)c平(CO)
c平(H2O)=c平(CO)=x=0.0060mol·L-1
α(H2)= ×100%
=
c始(H2)-c平(H2)
c始(H2)
×100%
=60%
0.0100 mol·L-1-0.0040 mol·L-1
0.0100 mol·L-1
α(CO2)= ×100%
=
c始(CO2)-c平(CO2)
c始(CO2)
×100%
=60%
0.0100 mol·L-1-0.0040 mol·L-1
0.0100 mol·L-1
答： c平(H2)和c平(CO2)都是0.0040mol-1·L，c平(H2O)和c平(CO)都是0.0060mol-1·L，H2和CO2的平衡转化率都是60%。
平衡浓度的求算
在有关化学平衡的计算中，平衡浓度的求算始非常关键的环节。通常将反应物转化的量设为x，利用已知条件找到关于x的等量关系，然后列方程求解。例如，本题的解题思路为：①设反应物转化的量为x；②用含x的式子表示出各物质的平衡浓度；③通过平衡常数表达式列出方程式；④求解所列方程式。
方法导引
有关于化学平衡问题的计算，可按一定步骤建立模式，确定各个量之间的关系进行计算。我们把这种方法称为“三段法”。
完成下述表格，并验证你的结论是否正确。
在1 200 ℃时测得反应CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)达平衡时，K＝2.25。试计算CO2(g)和H2(g)的初始浓度分别为下列三种情况下的CO2、H2的平衡转化率，填写下表：
44
初始浓度/(mol L-1) 平衡转化率/%
c始(CO2) c始(H2) α(H2) α(CO2)
A 0.010 0 0.010 0
B 0.010 0 0.012 0
C 0.010 0 0.008 0
初始浓度/(mol L-1) 平衡转化率/%
c始(CO2) c始(H2) α(H2) α(CO2)
A 0.010 0 0.010 0
B 0.010 0 0.012 0
C 0.010 0 0.008 0
60%
60%
54%
65%
66%
53%
分析上表计算结果，可得出的结论是
(1)同一化学反应，不同物质的平衡转化率 。
(2)增大H2的浓度，CO2转化率的变化是 ，H2转化率的变化是 。
(3)减小H2的浓度，CO2转化率的变化是 ，H2转化率的变化是 。
可能相同，也可能不同
增大
减小
减小
增大
由以上分析可以发现，提高氢气在原料气组成中的比例，可使二氧化碳的平衡转化率提高；同理，提高二氧化碳在原料气组成中的比例，可使氢气的平衡转化率提高。在化工生产中，根据以上原理，常常通过增加某一种廉价、易得的反应物的浓度来提高另一种昂贵、稀缺的反应物的转化率，从而降低生产成本。
结论1：两种反应物参加反应时，提高一种反应物的浓度，可以提高另一种反应物的转化率，而该反应物的转化率会降低。
结论2：当两种反应物按照方程式系数比进行投料时，平衡时反应物的平衡转化率相等。
化学反应限度的定量描述
化学平衡常数
计算（三段法）
表达式
平衡转化率
影响因素
课堂小结
第3课时
反应条件对化学平衡的影响
可逆反应aA+bB cC+dD
通过比较平衡常数 Kc与浓度商Qc的大小，可以判断反应状态。
浓度商Qc= Kc 反应状态： 。
QcQc> Kc 反应状态： 。
复习巩固
平衡状态
反应正向进行
反应逆向进行
在19世纪后期,人们发现炼铁高
炉所排出的高炉气中含有相当数量
的一氧化碳。有的工程师认为,
这是由于一氧化碳和铁矿石的接触
时间不够长造成的,于是英国耗费了大量资金建造了一个高大的炼铁高炉,以增加一氧化碳和铁矿石的接触时间。
联想质疑
可是后来发现,用这个高炉炼铁,所排出的高炉气中的一氧化碳并没有减少,其原因是什么 如果继续增大铁矿石的量能减少一氧化碳的含量吗
高炉炼铁的原理是利用CO还原氧化铁,此反应为可逆反应,当反应达到平衡时,增加反应时间不能改变各种物质的百分含量;增加铁矿石的量不能减少一氧化碳的含量。
反应条件对化学平衡的影响
预测
某化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)的ΔH＞0。温度、浓度或压强改变时，化学平衡状态是否改变？如果发生改变，化学平衡将向哪个方向移动？说明预测理由。
活动探究
资料在线
温度与化学平衡常数的关系
温度变化 反应焓变ΔH 平衡常数K 温度变化 反应焓变ΔH 平衡常数K
升高 ＞0 增大 降低 ＞0 减小
＜0 减小 ＜0 增
温度与化学平衡常数的关系温度改变时，化学平衡常数会发生变化，变化关系见表 2-2-3。
请按下列表格中要求的内容设计、实施实验方案，并完成表格。
思考
1.请描述你发现的外界条件(温度、浓度)对化学平衡的影响规律，并结合实验现象对你的观点进行论证
2.你还发现了哪些“意外”的现象 能否尝试利用浓度商与化学平衡常数之间的关系对这些现象进行分析
1.温度的影响
通过对比装有二氧化氮-四氧化二氮混合气体的装置两端的球形容器在室温和分别浸人冷水与热水中的实验可知，升高温度时，二氧化氮-四氧化二氮反应体系颜色加深，表明二氧化氮浓度增大，即化学平衡向吸热方向移动，足够时间后反应体系颜色不再改变，表明在新的温度下体系达到新的平衡状态;
降低温度时，二氧化氮-四氧化二氮反应体系颜色变浅，表明平衡向放热方向移动。
实验结果证实，升高温度，化学平衡向吸热方向移动;降低温度，化学平衡向放热方向移动。
研究表明，温度对化学平衡的影响是通过改变化学平衡常数实现的:升高温度使吸热反应的平衡常数飞增大，平衡向吸热反应方向移动:降低温度体放热反应的平衡常数K增大，平衡向放热反应方向移动。
例如，由表2-2-4可知，升高温度时该放热反应的平衡常数K减小，引起平衡逆向移动。
在同一温度下，对于一个已达化学平衡状态的反应，反应物浓度增大或反应产物浓度减小时,浓度商减小Q反之，反应物浓度减小或反应产物浓度增大时则 Q>K，化学平衡只有向消耗反应产物的方向移动，即平衡逆向移动，才能使Q=K反应达到新的平衡状态。以上关系如图 2-2-3 所示。
为了提高产率，生产过程中常常将反应产物及时从体系中移走，使反应所建立的化学平衡不断地正向移动。
3.压强的影响
研究发现，对于有气态物质参与的反应，在一定温度下，增大体系压强，各气态物质的浓度也同等倍数增大。因此，对于 。 △vg =0的反应，增大压强，Q仍然等于K，化学平衡状态不变。
对于△vg <0的反应，增大压强，Q 同理，对于 △vg >0的反应，增大压强，Q>K，化学平衡向气态物质系数减小的方向移动，即:
氧气、一氧化碳与血红蛋白结合过程中的平衡移动
生命过程与化学平衡移动密切相关。例如，在人体利用氧气的过程中，血红蛋白与氧气的结合过程就涉及化学平衡的移动。人体中的血红蛋白分子(Hb)与氧气分子结合，形成合血红蛋白分子Hb(O2)，这一过程可以表示为
当人吸入新鲜空气时，由于氧气浓度增大，Q一氧化碳分子与血红蛋白分子结合的能力比氧气分子强，大约是气分子与血红蛋白分子结合能力的 200 倍。在正常情况下，空气中一氧化碳浓度很低，血液中与一氧化碳分子结合的血红蛋白分子极少。当空气中一氧化碳的浓度增大时，更多的 Hb(CO)取代 Hb(O2 ),造成人体缺氧，严重时导致死亡。
如果发现有人一氧化碳中毒，应马上切断一氧化碳源并将中毒者移至空气流通处，必要时应将其放入高压氧舱中，使气的浓度远大于一氧化碳的浓度。此时，由于一氧化碳的浓度低于平衡浓度(Q>K)，一氧化碳分子结合 Hb 反应的化学平衡左移，Hb(CO)分解:而此时氧气的浓度大于平衡浓度(Q根据上述讨论，可以将化学平衡移动规律简单地总结为:
升高温度，有利于平衡向吸热方向移动
改变浓度，若Q>K，平衡逆向移动;若Q改变压强，若Q>K，平衡逆向移动;若Q利用化学平衡移动规律，人们可以在反应限度允许的前提下尽可能地让化学反应向人们需要的方向进行，以更科学、有效地利用化学反应。
勒·夏特列原理
历史上，勒·夏特列曾经提出了一个经验性的“平衡移动原理”:如果改变平衡体系的一个条件(如温度、浓度或压强)，平衡将向减弱这个改变的方向移动。例如，增大反应体系中反应物的浓度，平衡向消耗反应物的方向移动;增大平衡体系的压强，平衡向气态物质分子数减小的方向移动:升高温度，平衡向吸热方向移动;等等。
后人将这一经验规律称为“勒·夏特列原理”后来的研究表明，在均相、封闭体系中，只改变平衡体系中的一个条件时，勒·夏特列原理对平衡移动的分析与实际相符。