高中化学人教版 (2019)必修 第二册第二节 化学反应的速率与限度学案

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一、化学反应的限度
1．可逆反应
(1)可逆反应的概念：在________条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应。
书写可逆反应的化学方程式时，不用“===”，用“________”。
(2)可逆反应的特点：
①正反应和逆反应________进行
②正反应和逆反应在________条件下进行
③反应物和生成物________存在
2．化学平衡状态的建立
(1)化学平衡状态的建立过程
在一定条件下向反应容器中加入SO2和O2发生反应：2SO2＋O22SO3
(2)用速率变化图像表示化学平衡状态的建立
3．化学平衡状态
(1)化学平衡状态的概念
如果外界条件(温度、浓度、压强等)不发生改变，当_________反应进行到一定程度时，__________与__________相等，反应物的浓度与生成物的浓度都__________的状态，称为化学平衡状态，简称化学平衡。
(2)化学平衡状态的特征
逆：研究对象是________反应
等：正反应速率和逆反应速率_________
动：动态平衡，反应___________
定：各组分的浓度__________
变：外界条件改变，原平衡将被________，在新条件下建立新的平衡状态
4．化学反应的限度
(1)化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到或完成的__________，即该反应进行的限度。
(2)对化学反应限度的理解
①化学反应的限度决定了反应物在_______________的最大转化率。
转化率=eq \f(该反应物参加反应的物质的量,反应物的初始量)×100%
②同一可逆反应，不同条件下，化学反应的限度不同，即改变条件可以在一定程度上改变一个化学反应的________。
二、化学反应条件的控制
1．化学反应条件控制的目的
(1)促进有利的化学反应：提高反应________；提高反应物的转化率，即原料的________。
(2)抑制有害的化学反应：________反应速率，控制________的发生，减少甚至消除___________的产生。
2．化工生产中反应条件的调控
(1)考虑因素
化工生产中调控反应条件时，需要考虑控制反应条件的________和________________。
(2)实例——合成氨生产条件的选择
①温度低，反应速率________，氨的产率________；
②压强大，反应速率________，氨的产率________，对动力与生产设备要求高；
③使用催化剂能很大程度________反应速率。
综合考虑，采用条件：
①温度400~500℃，反应速率________，催化剂的活性________；
②压强10~30MPa，反应速率________，氨的产率________；
③使用催化剂。
►问题一 可逆反应的特征
【典例1】在一定温度下，在恒容的容器中充入2 ml SO2和1 ml O2发生反应：2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))2SO3(g)。一段时间后，再向容器中充入含氧同位素eq \\ar(18, 8)O的氧气，则eq \\ar(18, 8)O最终存在的物质为( )
A．只有氧气
B．只有三氧化硫
C．只有氧气、三氧化硫
D．氧气、二氧化硫、三氧化硫
【变式练1-1】下列反应不属于可逆反应的是( )
A．二氧化硫的催化氧化
B．氯气溶于水
C．工业合成氨
D．水电解生成H2和O2与H2在O2中的燃烧反应
【变式练1-2】500 ℃时，将2 ml N2和2.25 ml 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 ml·L－1 B．0.12 ml·L－1
C．0.05 ml·L－1 D．0.16 ml·L－1
►问题二 化学反应的限度
【典例2】对于可逆反应M＋NQ达到化学平衡时，下列说法正确的是( )
A．三种物质的浓度一定相等
B．M、N 全部变成了 Q
C．反应物和生成物的浓度都保持不变
D．反应不再进行
【变式练2-1】在密闭容器中进行反应：N2＋3H22NH3，下列说法正确的是( )
A．升高温度能加快反应速率
B．充入氢气能减慢反应速率
C．达到平衡时，反应速率：v正＝v逆＝0
D．达到平衡时，N2和H2能100%转化为NH3
【变式练2-2】下列关于化学平衡的说法正确的是( )
A．化学反应达到化学平衡状态时正、逆反应速率相等，是指同一物质的消耗速率和生成速率相等，若用不同物质表示时，反应速率不一定相等
B．可逆反应达到平衡状态时，各反应物、生成物的浓度相等
C．化学反应在一定条件下建立平衡状态时，化学反应将会停止
D．一定条件，可以通过延长化学反应的时间来改变反应物的最大转化率
►问题三 化学平衡状态的判断
【典例3】在一定温度下，在恒容的容器中充入2 ml SO2和1 ml O2发生反应：2SO2(g)＋O2(g)eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(△))2SO3(g)。一段时间后，该反应达到化学平衡，下列能说明达到化学平衡状态的是________(填序号)。
①v正(SO2)＝2v逆(O2)
②v(SO2)＝v(SO3)
③单位时间内消耗a ml SO2，同时生成a ml SO3
④SO2、O2和SO3的浓度之比为2∶1∶2
⑤混合气体的总的物质的量不再改变
⑥混合气体的压强不再改变
⑦混合气体的密度不再改变
⑧混合气体的平均相对分子质量不再改变
【归纳小结】化学平衡状态的判断方法
(1)速率特征
速率特征指“等”，即v(正)＝v(逆)≠0。
①同种物质：同一物质的生成速率等于消耗速率。
②不同物质：速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
如反应：2SO2＋O22SO3
①单位时间消耗2 ml SO2，同时消耗2 ml SO3；
②SO2的消耗速率等于O2的生成速率的2倍；
③SO2的消耗速率等于SO2的生成速率，都能说明该反应达到平衡状态。
(2)含量特征
含量特征指“定”，即反应混合物中各组成成分的含量保持不变。
若物理量由变量变成了不变量，则表明该可逆反应达到平衡状态；若物理量为“不变量”，则不能作为平衡标志。
①各物质的质量、物质的量或浓度不变。
②各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数等)不变。
③温度、压强(化学反应方程式两边气体体积不相等)或颜色(某组分有颜色)不变。
【变式练3-1】下列各关系式中能说明反应N2＋3H22NH3已达平衡状态的是( )
A．3v正(N2)＝v正(H2)B．v正(N2)＝v逆(NH3)
C．2v正(H2)＝3v逆(NH3)D．v正(N2)＝3v逆(H2)
【变式练3-2】一定条件下，将NO2与SO2以体积比1∶2置于密闭容器中发生反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，下列能说明反应达到平衡状态的是( )
A．体系压强保持不变
B．混合气体颜色保持不变
C．SO3和NO的体积比保持不变
D．每消耗1 ml SO3的同时生成1 ml NO2
►问题四 化学反应条件的控制
【典例4】下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关生产条件的调控作用分析正确的是________(填序号)。
(1)步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒
(2)步骤②中“加压”可以加快反应速率
(3)步骤②采用的压强是2×107 Pa，因为在该压强下铁触媒的活性最大
(4)步骤③选择高效催化剂是合成氨反应的重要条件
(5)目前，步骤③一般选择控制反应温度为700 ℃左右
(6)步骤④⑤有利于提高原料的利用率，能节约生产成本
【变式练4-1】下列措施可以提高燃料燃烧效率的是( )
①提高燃料的着火点 ②降低燃料的着火点 ③将固体燃料粉碎 ④将液体燃料雾化 ⑤将煤气化处理 ⑥通入适当过量的空气
A．①③④⑤ B．②③⑤⑥
C．③④⑤⑥ D．①②③④
【变式练4-2】工业上合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3(g)，在实际生产中为提高合成氨的反应速率，下列说法正确的是( )
A．温度越高，反应速率越快，因此采取的温度越高越好
B．压强越大，反应速率越快，因此采取的压强越大越好
C．催化剂能加快反应速率，因此可选用适当的催化剂
D．可向容器中加入一定量的水蒸气，使氨气溶解以提高反应速率
【基础强化】
1．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
2．下列关于化学反应限度的说法中正确的是( )
A．Cl2溶于水发生了可逆反应
B．当一个可逆反应达到平衡状态时，正向反应速率和逆向反应速率相等且等于零
C．平衡状态时，各物质的浓度保持相等
D．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变
3．已知反应：NO2(g)＋SO2(g)SO3(g)＋NO(g)，起始时向某密闭容器中通入1 ml NO2、2 ml S18O2，反应达到平衡后，下列有关说法正确的是( )
A．NO2中不可能含18O
B．有1 ml N18O生成
C．S18O2的物质的量不可能为0.8 ml
D．SO2、SO3、NO、NO2均含18O时，说明该反应达到平衡
4．CO和H2在一定条件下可以合成乙醇：2CO(g)＋4H2(g)CH3CH2OH(g)＋H2O(g)，下列叙述中能说明上述反应在一定条件下已达到最大限度的是( )
A．CO全部转化为乙醇
B．正反应和逆反应的化学反应速率均为零
C．CO和H2以1∶2的物质的量之比反应生成乙醇
D．反应体系中乙醇的物质的量浓度不再变化
5．一定温度下在一容积不变的密闭容器中发生可逆反应2X(g)Y(g)＋Z(s)，下列叙述不能说明该反应达到化学平衡状态的是( )
A．混合气体的密度不再变化
B．反应容器中Y的质量分数不变
C．X的分解速率与Y的消耗速率相等
D．单位时间内生成1 ml Y的同时生成2 ml X
6．在体积不变的密闭容器中发生反应：N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3(g)，下列叙述表示该反应处于化学平衡状态的是( )
A．N2、H2、NH3的浓度之比为1∶3∶2
B．混合气体的密度不随时间变化
C．当有1 ml N≡N断裂时，有6 ml N—H断裂
D．单位时间内生成2a ml NH3，同时消耗a ml N2
7．合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应：N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up7(高温、高压),\s\d5(催化剂))2NH3(g)(正反应为放热反应)，673 K、30 MPa下，n(NH3)和n(H2)随时间t变化的关系如图所示。
下列叙述正确的是( )
A．c点处正反应速率和逆反应速率相等
B．a点的正反应速率比b点的大
C．d点(t1时刻)和e点(t2时刻)处n(N2)不同
D．在t2时刻，正反应速率大于逆反应速率
8．将煤块粉碎、经脱硫处理、在适当过量的空气中燃烧，这样处理的目的是( )
①使煤充分燃烧，提高煤的利用率 ②减少SO2的产生，避免造成“酸雨” ③减少有毒的CO产生，避免污染空气 ④减少CO2的产生，避免“温室效应”
A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②③④
9．在2 L密闭容器中，800 ℃时，反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)体系中，n(NO)随时间的变化如下表所示。
(1)上图中，A点处v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。
(2)图中表示NO2变化的曲线是____。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v＝_____________。
(3)下列能说明该反应已经达到平衡状态的是______(填字母，下同)。
a．v(NO2)＝2v(O2)b．容器内压强保持不变
c．v逆(NO)＝2v正(O2)d．容器内的密度保持不变
(4)下列能使该反应的反应速率增大的是__________。
a．向容器中充入氩气 b．适当升高温度
c．增大O2的浓度 d．选择高效的催化剂
10．已知在2 L的密闭容器中进行如下可逆反应，各物质的有关数据如下：
aA(g)＋bB(g)2C(g)
起始/ml·L－1 1.5 1 0
2 s末/ml·L－1 0.9 0.8 0.4
请回答下列问题：
(1)该可逆反应的化学方程式可表示为____________________________。
(2)用物质B来表示0～2 s的平均反应速率为___________________。
(3)从反应开始到2 s末，A的转化率为________。
(4)下列事实能够说明上述反应在该条件下已经达到化学平衡状态的是________(填字母)。
A．vB(消耗)＝vC(生成)
B．容器内气体的总压强保持不变
C．容器内气体的密度不变
D．容器内气体C的物质的量分数保持不变
【能力提升】
1．已知SO2和O2反应生成4 ml SO3时放出的热量为Q kJ，那么2 ml SO2和1 ml O2在一有催化剂的密闭容器中发生反应时，放出的热量为( )
A．大于Q kJ B．等于Q kJ
C．小于0.5Q kJ D．无法确定
2．一定温度下，已知反应N2O4(g)2NO2(g)。现将1 ml N2O4充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是( )

A．①③ B．②③ C．①④ D．②④
3．在一定条件下，将3 ml A和1 ml B两种气体混合于固定容积为2 L的密闭容器中，发生如下反应：3A(g)＋B(g)xC(g)＋2D(g)。2 min末该反应达到平衡，生成0.8 ml D，并测得C的浓度为0.2 ml·L－1。下列判断正确的是( )
A．x＝2
B．B的转化率为50%
C．2 min内A的平均反应速率为0.3 ml·L－1·min－1
D．若混合气体的密度保持不变，则表明该反应达到平衡状态
4．一定条件下，对于可逆反应：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)，达到平衡时，X、Y、Z的浓度分别为0.1 ml·L－1、0.3 ml·L－1、0.08 ml·L－1，则下列判断正确的是( )
A．c1∶c2＝3∶1
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为2∶3
C．X、Y的转化率不相等
D．c1的取值范围为0＜c1＜0.14 ml·L－1
5．甲、乙两个研究小组决定用实验探究的方法证明化学反应具有一定的限度，在一定条件下会达到“平衡状态”。
Ⅰ.甲组：取5 mL 0.1 ml·L－1的KI溶液于试管中，滴加0.1 ml·L－1的FeCl3溶液2 mL，发生如下反应：2I－＋2Fe3＋2Fe2＋＋I2。为了证明该反应具有一定的限度，他们设计了如下实验：①取少量反应液，滴加AgNO3溶液，发现有少量的黄色沉淀(AgI)生成，证明反应物没有反应完全；②再取少量反应液，加入少量CCl4，振荡，发现CCl4层显浅紫色，因为I2更易溶于CCl4，即证明有I2生成。结合①②的结论，他们得出结论：该反应具有一定的可逆性，在一定条件下会达到反应限度。
(1)指导老师指出上述实验中①不合理，你认为原因是____________________________________，改进的方法是_________________________________________________________。
(2)有人认为步骤②适合检验生成I2较多的情况，还有一种简单的方法可以灵敏地检验是否生成了I2，这种方法是______________________________________________________________。
Ⅱ.乙组：取4 mL 1 ml·L－1的CaCl2溶液于试管中，发现滴入1 ml·L－1的Na2SO4溶液6 mL后就不再产生白色沉淀了，发生的反应是Na2SO4＋CaCl2CaSO4↓＋2NaCl。请设计一个简单的实验，确认上述反应具有可逆性和反应限度，简要写出实验步骤和结论：
__________________________________________________________________________。
1．了解可逆反应及其特点。
2．理解化学平衡状态的特征及标志，知道改变条件化学平衡会发生改变。
3．了解控制反应条件在生产、生活和科学研究中的作用。
浓度
速率变化
v正、v逆关系
开始
反应物浓度________
v正________
v正_____v逆
生成物浓度________
v逆________
变化
反应物浓度________
v正________
v正_____v逆
生成物浓度________
v逆________
平衡
反应物浓度________
v正________
v正_____v逆
生成物浓度________
v逆________
时间/s
0
1
2
3
4
5
n(NO)/ml
0.020
0.010
0.008
0.007
0.007
0.007