课题2 化学反应的限度 化学平衡状态
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. 能描述化学平衡状态,判断化学反应是否达到平衡。
3. 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。
1. 回顾氯气与水的反应,哪些证据可以说明该反应不能反应完全,即反应具有一定的限度?如何证明氯水中存在氯气分子?领悟可逆反应的概念。
2. 一定条件下,许多反应有一定限度,反应物不能完全转化为生成物,请你根据所学知识,列举具有一定限度反应的案例。常温下,在0.1 mol/L CH3COOH溶液中,大约只有1%的醋酸分子电离成离子,醋酸的电离有一定的限度吗?用电离方程式表示醋酸的电离过程。
【归纳总结】 可逆反应的特点
FeCl3溶液和KI溶液在常温下能发生如下反应:
2Fe3++2I-===2Fe2++I2
1. 取5 mL 0.1 mol/L KI溶液,向其中加入1 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液,振荡,观察实验现象。
2. 继续向上述溶液中加入2 mL苯,充分振荡后静置,观察实验现象。然后,用分液漏斗分液。
3. 取下层溶液,重复步骤2的操作2~3次,将下层溶液分装在两支洁净的试管中,向其中一支试管中滴加5~6滴15%硫氰化钾(KSCN)溶液,观察并比较两支试管中溶液的颜色(KSCN溶液遇到Fe3+变为红色,该反应可用于检验溶液中的Fe3+)。
填写下表,通过该实验,你能得出什么结论?
实验步骤 实验现象 实验结论或反应
向KI溶液中加入FeCl3溶液并振荡
向充分反应后的溶液中加入苯,振荡,静置
分液,取下层溶液,重复萃取2~3次,将下层溶液分为2份,向其中一份中滴加KSCN溶液
实验结论
1. 理论分析化学反应限度与平衡状态的建立。
(1) 事实表明,许多反应是可逆的,在同一条件下向正反应方向进行的同时,也在向逆反应方向进行。对于一般的可逆反应,请你描述随着反应的进行,反应物浓度、生成物浓度的变化趋势。
(2) 在一定条件下,正反应速率等于逆反应速率,反应物浓度和生成物浓度不再改变的状态叫作化学平衡状态。对于一般的可逆反应,在坐标系中画出正、逆反应速率随反应时间变化的曲线图。
2. 以Fe3+与 I-的反应为例,分析反应中离子浓度变化和正、逆反应速率变化,画出反应过程中正、逆反应速率与反应时间的关系曲线,学习平衡状态的概念。
3. 探究平衡状态与平衡标志。
(1) 根据理论探究,达到平衡时,正反应速率和逆反应速率是相等的,反应速率不再变化,那么此时反应物、生成物的浓度会变化吗?正、逆反应速率均为0吗?
(2) 化学平衡的本质特征是什么?为什么说化学平衡是动态平衡?平衡状态一般有什么特点或标志?
【归纳总结】
(1) 化学平衡状态判断“三关注”。
①关注反应条件,是恒温恒容,恒温恒压,还是绝热恒容;
②关注反应特点,是等体积反应,还是非等体积反应;
③关注特殊情况,是否有固体参与反应或生成,或固体的分解反应。
(2) 不能作为平衡标志的四种情况。
①反应组分的物质的量之比等于方程式中相应物质的化学计量数之比;
②恒温恒容下气体体积不变的反应,气体总压强或总物质的量保持不变,如2HI(g) H2(g)+I2(g);
③全是气体参加且体积不变的反应,气体的平均相对分子质量保持不变,如2HI(g) H2(g)+I2(g);
④全是气体参加的反应,恒容条件下体系的密度保持不变。
1. 反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),达到平衡后,再向反应容器中充入含18O的一氧化碳,经过一段时间后,存在18O的物质是( )
A. CO B. H2O C. CO2、CO D. CO、H2O、CO2
2. (教材习题)一定条件下,某可逆反应的v正、v逆变化曲线如图。下列说法正确的是( )
A. t1时刻,反应逆向进行
B. t2时刻,正反应速率大于逆反应速率
C. t3时刻,达到反应进行的限度
D. t4时刻,反应不处于平衡状态
3. (教材习题)工业制硫酸中的一步重要反应是2SO2+O22SO3。这是一个正反应放热的可逆反应。若反应在密闭容器中进行,下列说法错误的是( )
A. 使用催化剂是为了增大反应速率,提高生产效率
B. 在上述条件下,SO2不可能100%地转化为SO3
C. 提高反应时的温度,可以实现SO2的完全转化
D. 通过调控反应条件,可以提高该反应进行的程度
4. (2022无锡期末)工业合成氨:N2+3H22NH3 ΔH<0。一定温度下,在恒容密闭容器中加入1 mol N2和3 mol H2合成NH3。下列有关说法正确的是( )
A. 充分反应后,可得到2 mol NH3
B. 升高温度,v(正)、v(逆)都增大
C. 反应达到平衡状态时,v(正)=v(逆)=0
D. 反应达到平衡状态时,N2、H2、NH3的物质的量浓度之比一定为1∶3∶2
5. (教材习题)一定条件下,对于密闭容器中进行的反应2SO2+O22SO3,能充分说明该反应已经达到化学平衡状态的是( )
A. 反应混合物中SO2、O2、SO3的物质的量之比为2∶1∶2
B. 消耗SO2的速率与生成SO3的速率相等
C. 反应混合物中SO2、O2、SO3的百分组成不再改变
D. 生成O2的速率与生成SO3的速率相等
6. 恒容密闭容器中发生反应:2N2(g)+O2(g) 2N2O(g),测得某时刻N2、O2、N2O的浓度分别为3.0 mol/L、1.0 mol/L、2.0 mol/L,平衡时,各物质的物质的量浓度可能为( )
A. c(O2)=1.5 mol/L B. c(N2)=1.0 mol/L
C. c(N2)=5.0 mol/L D. c(N2O)=4.0 mol/L
7. (教材习题)某化学反应2A B+C在三种不同条件下进行,B、C的起始浓度为0,反应物A的浓度(mol/L)随反应时间(min)的变化情况见下表,表中温度的单位为℃。
实验序号 温度 浓度 时间 0 10 20 30 40 50 60
1 800 1.0 0.80 0.67 0.57 0.50 0.50 0.50
2 800 1.0 0.60 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
3 820 1.0 0.40 0.25 0.20 0.20 0.20 0.20
(1) 在实验1、2中,有一个实验使用了催化剂。请利用表中数据判断哪个实验使用了催化剂,并说明理由:____________________________________________。
(2) 根据表中数据可知,实验3一定达到化学平衡状态的时间是________(填字母)。
A. 10 min后 B. 20 min后 C. 30 min后
8. (教材习题)某温度时,在2 L容器中发生A、B两种物质的转化反应,A、B物质的量随时间变化的曲线如图所示。请分析图中数据,回答下列问题。
(1) 该反应的化学方程式为______________________。
(2) 反应开始至4 min,A的平均反应速率为______________
________。
(3) 4 min时,反应________(填“是”或“否”)达到化学平衡状态;8 min时,正反应速率________(填“>”“<”或“=”)逆反应速率。
9. CO2可转化成有机物实现碳循环。在容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol CO2和3 mol H2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图所示。
(1) 3~9 min内,v(H2)=________mol/(L·min)。
(2) 能说明上述反应达到平衡状态的是________(填字母)。
A. 反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1
B. 混合气体的密度不随时间的变化而变化
C. 单位时间内消耗3 mol H2,同时生成1 mol H2O
D. CO2的体积分数在混合气体中保持不变
(3) 平衡时CO2的转化率为________。
(4) 平衡时混合气体中CH3OH(g)的体积分数是________。
(5) 一定温度下,9 min时v逆(CH3OH)______(填“>”“<”或“=”)3 min时v正(CH3OH)。
课题2 化学反应的限度 化学平衡状态
【活动方案】
活动一:
1. 氯气与水反应的化学方程式为Cl2+H2O HCl+HClO,新制氯水具有漂白性,这是因为氯气与水反应生成的次氯酸具有漂白性,氯水呈浅黄绿色,说明溶于水的氯气只有一部分与水发生反应,Cl2与水的反应有一定的限度。氯水呈浅黄绿色,且有刺激性气味,说明氯水中存在氯气分子。同一条件下,Cl2与H2O能转变成HCl与HClO,而HCl与HClO也能转变成Cl2与H2O。像这种在同一条件下,既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行的化学反应叫作可逆反应。在书写化学方程式时,可逆反应用符号“ ”表示。
2. 工业合成氨的反应、二氧化硫的催化氧化反应都具有一定的限度,属于可逆反应。
在醋酸溶液中,既有醋酸分子电离产生H+和CH3COO-的过程,也有H+和CH3COO-结合生成醋酸分子的过程。醋酸的电离是一个可逆过程,故醋酸的电离方程式可表示为CH3COOH CH3COO-+H+。
活动二:
实验现象 实验结论或反应
溶液由黄色变为棕黄色 2Fe3++2I-===2Fe2++I2
溶液分层,上层变为紫红色 碘被萃取到有机层中
溶液变为红色 溶液中存在Fe3+
Fe3+与I-的反应有一定的限度,不能完全反应
活动三:
1. (1) 随着反应的进行,反应物浓度逐渐减小,生成物浓度逐渐增大。
(2)
2. 开始时,Fe3+和I-的浓度都很大,正反应速率较大,逆反应速率为0,随着反应的进行,反应物的浓度下降,正反应速率逐渐减小,生成物的浓度逐渐增大,逆反应速率逐渐增大。当正、逆反应速率相等时,反应物、生成物的浓度不再变化,即反应达到化学平衡状态。
3. (1) 达到平衡状态时,正、逆反应速率不变,反应物、生成物的浓度也不再变化,但正、逆反应仍在进行,正、逆反应速率均不为0。
(2) 化学平衡的本质特征是v(正)=v(逆)≠ 0,由于反应仍在进行,所以化学平衡是一种动态平衡。外界条件一定时,平衡时一般各组分的百分含量一定(不是相等);体积一定时,各物质的浓度不再变化,体系颜色不再变化。
【课堂反馈】
1. D 含18O的一氧化碳和H2O正向反应生成含18O的二氧化碳,同时含18O的二氧化碳和H2又逆向反应生成了一氧化碳和水,故最终CO、H2O和CO2中都含有18O。
2. B 由图可知,t1时刻,v正>v逆,反应正向进行,A错误;t2时刻,v正>v逆,B正确;t3时刻,v正≠v逆,未达到反应进行的限度,C错误;t4时刻,v正=v逆,反应处于平衡状态,D错误。
3. C 催化剂能加快反应速率,提高单位时间内的产量,提高生产效率,A正确;可逆反应有限度,反应物不能完全转化为产物,B正确,C错误;通过调控温度、压强等条件,可以实现平衡的移动,提高反应进行的程度,D正确。
4. B 该反应是可逆反应,反应物不能完全转化为产物,A错误;温度升高,正、逆反应速率均增大,B正确;平衡状态为动态平衡,v(正)=v(逆)≠0,C错误;达到平衡状态时,各物质的物质的量浓度不一定成比例,D错误。
5. C 各物质的数目成比例,不能说明反应已经达到化学平衡状态,A错误;消耗SO2与生成SO3均表示正反应,不能说明反应已经达到化学平衡状态,B错误;反应中各物质的百分组成不变,能说明反应已经达到化学平衡状态,C正确;v生成(O2)∶v生成(SO3)=1∶2时,才能说明反应已经达到化学平衡状态,D错误。
6. A 采用极值法分析,若氧气全部反应,则N2、O2和N2O的浓度分别为1.0 mol/L、0、4.0 mol/L,若N2O(g)全部反应,则N2、O2和N2O的浓度分别为5.0 mol/L、 2 mol/L、0,所以1.0 mol/L<c(N2)<5.0 mol/L、0<c(O2)<2.0 mol/L、0<c(N2O)<4.0 mol/L,反应不可能完全转化,所以只有c(O2)=1.5 mol/L符合题意,故选A。
7. (1) 实验2使用了催化剂。其他条件相同时,实验2的反应速率大于实验1 (2) C
解析:(1) 其他条件相同,相同时间内,实验2中A的浓度减小的快,说明反应速率快。(2) 实验3中,30 min后A的浓度不再变化,说明30 min时反应已经达到平衡状态。
8. (1) 2A B (2) 0.05 mol/(L·min)
(3) 否 =
9. (1) 0.125 (2) D (3) 75% (4) 30%
(5) <