新教材2023版高中化学第2章化学键化学反应规律第3节化学反应的快慢和限度第2课时化学反应的限度学案鲁科版必修第二册

第2课时　化学反应的限度

学业要求

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．体会从限度方面去认识和调控化学反应的重要性。

3．认识化学变化是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应。

4．了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用。

知识网络

学业基础——自学·思记·尝试

一、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“===”号而用“⇌”号。

3．特点

二、化学平衡

1．化学平衡状态的建立

(1)建立过程：

(2)化学平衡建立过程的图像：

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发生变化，正反应速率和逆反应速率________。

3．化学平衡状态的特点

三、化学平衡移动

1．探究温度对化学平衡的影响

2.化学平衡的移动

化学平衡是在一定条件下建立起来的，当条件________时，原来的化学平衡将被破坏，并在新的条件下建立起新的化学平衡。

此过程可以表示为：

3．影响化学平衡的因素

除温度外，________、________(有气体参加的可逆反应)等外界条件的改变也可以使化学平衡发生移动。

[即学即练]

1．下列反应中，不互为可逆反应的是(　　)

A．2NO2===N2O4与N2O4===2NO2

B．H2＋I22HI与2HIH2＋I2

C．CO2＋H2O===H2CO3与H2CO3===CO2↑＋H2O

D．CaO＋CO2===CaCO3与CaCO3CaO＋CO2↑

2．氨是一种重要的化工产品，目前氨的主要生产方法是“循环法”，其主要反应为N2＋3H22NH3。下列有关该反应的说法不正确的是(　　)

A．N2和H2反应不可能全部转化为NH3

B．达到平衡后，反应就停止了，故正、逆反应速率相等且均为零

C．该反应从开始到达到平衡的过程中，正反应速率不断减小，逆反应速率不断增大，某一时刻，正、逆反应速率相等

D．工业上生产NH3时，要同时考虑反应所能达到的限度和化学反应速率两方面的问题

3．在一定温度下的密闭容器中，可逆反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)达到平衡状态的标志是(　　)

A．N2、H2、NH3在容器中共存

B．混合气体的总物质的量不再发生变化

C．单位时间内生成n mol N2，同时生成3n mol H2

D．单位时间内消耗n mol N2，同时消耗n mol NH3

4．常温下，可逆反应2NO2(g)⇌2NO(g)＋O2(g)在恒容密闭容器中进行，下列表示反应达到平衡状态的标志是(　　)

①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2

②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO

③混合气体密度不再改变

④混合气体的颜色不再改变

⑤密闭容器中压强不再改变

A．②③⑤    B．①③⑤

C．①④⑤    D．全部

5．下列反应条件的控制中不恰当的是(　　)

A．为防止铁生锈，在其表面涂一层防锈油漆

B．为防止火灾，在面粉厂、加油站等场所要严禁烟火

C．为加快KClO3的分解速率，加入MnO2

D．为加快H2O2的分解速率，把反应容器放到冷水中冷却

核心素养——合作·探究·分享

一化学平衡状态的判断

[例1]　反应：2NO2(g)⇌2NO(g)＋O2(g)在恒温恒容的容器中反应，说明反应达到平衡状态的标志是(　　)

①单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2；②单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO；③NO2、NO、O2的反应速率之比为2∶2∶1；④混合气体的颜色不再改变；

⑤混合气体的密度不再改变；⑥混合气体的总压强不再改变

A．①④⑥    B．①③④

C．②③⑤    D．①②③④⑤⑥

状元随笔　(1)对化学平衡状态的判断，从不同角度出发可以得到多种判断依据，如浓度、压强、体积分数、密度、平均相对分子质量、颜色等，但最终都体现v正＝v逆，各组分浓度不再改变。

(2)“变”与“不变”的判断：某一物理量从开始到平衡的过程是“变化”的，而达到平衡后“不变”，则该物理量可以作为判断反应是否达到平衡状态的依据。

[提升1]　光气(COCl2)在农药、医药等领域都有许多用途。一定温度下，恒容密闭容器中，CO与Cl2在催化剂的作用下发生反应：CO(g)＋Cl2(g)⇌COCl2(g)。下列说法能充分说明该反应已经达到化学平衡状态的是(　　)

A．每生成1 mol光气，消耗1 mol一氧化碳

B．CO、Cl2、COCl2的分子数之比为1∶1∶1

C．CO、Cl2、COCl2在密闭容器中共存

D．混合气体的平均摩尔质量不再变化

状元随笔　本题的易错项为B，要注意反应体系中各物质的分子数之比或物质的量之比等于其化学计量数之比时，并不能表示此时正、逆反应速率相等，反应可能继续进行，即不能判断反应是否达到平衡状态。

关键能力

化学平衡状态的判断方法

1．本质(动态特征)：v正＝v逆≠0

(1)同种物质：同一物质的生成速率等于其消耗速率；

(2)不同物质必需标明是“异向”的反应速率关系，如反应：aA(g)＋bB(g)⇌cC(g)＋dD(g)，＝时，反应达到平衡状态。

2．表现(静态特征)：各种“量”不变

(1)各物质的质量、物质的量、浓度不变。

(2)各物质的百分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)不变。

(3)温度、压强(化学方程式两边气体体积不相等的反应)或颜色(某组分有颜色)不变。

3．综合分析

二化学平衡的简单计算

 [例2]　将一定量N2和H2(体积比为1∶3)的混合气体通入合成塔，反应达到平衡后，氨的体积分数为16%，则平衡时混合气体中N2的体积分数为________，H2的转化率为________。

状元随笔　(1)体积分数即物质的量分数。

(2)转化率＝×100%或

转化率＝×100%

[提升2]　在2 L密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，一定条件下发生反应，2 min后达到平衡状态。相同温度下，测得平衡时混合气体的压强比反应前混合气体的压强减小了。

请据此填空：

(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为________；

(2)N2的转化率为________；

(3)2 min内，NH3的平均反应速率为________。

状元随笔　解答本题时需要灵活利用阿伏加德罗定律，即恒温、恒容时，气体的压强之比等于其物质的量之比，可表示为p1∶p2 ＝n1∶n2。

关键能力

化学平衡的简单计算方法

化学反应速率和化学平衡的有关计算中一般用“三段式”法求解，所谓“三段式”即把化学反应中各组分按起始量、转化量、平衡量三段依次列出，再根据题中条件建立数学关系式。

反应物：转化量＝起始量－平衡量；

生成物：转化量＝平衡量－起始量。

三个量中，只有转化量与化学方程式中相应的化学计量数成比例，起始量和平衡量则与化学计量数无直接关系。

　　　    mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)

起始量    ab 0    0

转化量    x

平衡量 a－xb－

计算时根据题意和适当假设列出各物质的起始量、转化量、平衡量，进而找到相关物理量的关系，列出方程求解。

学考评价——夯实·测控·演练

1．在一定条件下，向1 L密闭容器中充入3 mol X气体和1 mol Y气体，发生反应2X(g)＋2Y(g)⇌3Z(g)＋2W(g)，达到化学平衡时，测出的下列各生成物浓度的数据中肯定错误的是(　　)

A．c(Z)＝0.75 mol·L－1    B．c(Z)＝1.2 mol·L－1

C．c(W)＝0.8 mol·L－1    D．c(W)＝1 mol·L－1

2．如图是可逆反应：X2＋3Y2⇌2Z2在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线，下列叙述正确的是(　　)

A．t2～t3时，各物质的浓度不再发生变化

B．t2时，反应未达到限度

C．t2～t3时，反应已停止进行

D．t1时，反应只向正反应方向进行

3．一定温度下，将3 mol SO2和1 mol O2充入一定容积的密闭容器中，在催化剂存在下进行下列反应：2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)　放热197 kJ，当达到平衡状态时，下列说法中正确的是(　　)

A．生成SO3的物质的量为2 mol

B．反应放出的热量等于197 kJ

C．SO2、O2、SO3的分子数之比一定为2∶1∶2

D．SO2的消耗速率必定等于SO3的消耗速率

4．氨基甲酸铵分解反应为NH2COONH4(s)⇌2NH3(g)＋CO2(g)，在一容积恒定的容器里，发生上述反应，可以说明该反应已经达到平衡的是(　　)

A．密闭容器中氨气的体积分数不变

B．1 mol NH2COONH4分解同时有17 g NH3消耗

C．密闭容器中混合气体的密度不变

D．2v(NH3)＝v(CO2)

第2课时　化学反应的限度

学 业 基 础

一、

3．同一　同时

二、

1．(1)最大　0　减少　减小　增大　增大　不变　＝

2．相等

3．≠　浓度　移动

三、

1．深　浅　深　增大　吸热反应　浅　减小　放热反应

2．改变

3．反应物浓度　压强

[即学即练]

1．解析：可逆反应指同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的反应。

答案：D

2．解析：该反应为可逆反应，N2和H2反应不可能全部转化为NH3，A项正确；反应达到平衡后，正反应速率和逆反应速率相等，是动态平衡，速率不可能为零，B项错误；该反应从开始到达到平衡的过程中，反应物浓度不断减小，生成物浓度不断增大，正反应速率不断减小，逆反应速率不断增大，某一时刻正、逆反应速率相等，反应达到平衡，C项正确；工业上生产NH3，既要考虑反应时间又要考虑转化率，即要同时考虑反应所能达到的限度和化学反应速率两方面的问题，D项正确。

答案：B

3．解析：反应一旦开始，无论反应是否达到平衡状态，N2、H2、NH3均在容器中共存，A错误；该反应是反应前后气体分子数不相等的反应，若混合气体的总物质的量不再发生变化，说明反应处于平衡状态，B正确；单位时间内生成n mol N2，同时生成3n mol H2，都表示反应逆向进行，不能判断反应是否处于平衡状态，C错误；单位时间内消耗n mol N2的同时必然会产生2n mol NH3，现消耗n mol NH3，说明反应正向进行，未达到平衡状态，D错误。

答案：B

4．解析：单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2, 则＝，反应已达到平衡，①正确；单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO，描述的都是正反应，不能说明反应已达到平衡，②错误；根据质量守恒定律，该反应气体的总质量恒定，容器容积恒定，故混合气体的密度恒定，即混合气体的密度不再改变不能说明反应已达到平衡，③错误；若该反应还未达到平衡，则红棕色的NO2的浓度改变，气体的颜色必然改变，故当混合气体的颜色不再改变，说明反应已达到平衡，④正确；该反应前后气体分子数不相等，恒温恒容条件下气体的压强之比等于其物质的量之比，故密闭容器中压强不再改变，说明反应已达到平衡，⑤正确。故选C。

答案：C

5．解析：在铁制品表面涂一层防锈油漆，可减少其与空气的接触，从而防止铁生锈，A正确；面粉颗粒、汽油等都是易燃物质，为防止火灾，在面粉厂、加油站等场所要严禁烟火，B正确；KCl O3在有催化剂时会快速分解产生O2，所以为加快KCl O3的分解速率，加入催化剂MnO2，C正确；O2在温度较高时容易发生分解反应，所以为加快O2的分解速率，应把反应容器放到温水中加热，D错误。

答案：D

核 心 素 养

[例1]　解析：①生成O2的速率指正反应速率，生成NO2的速率指逆反应速率，单位时间内生成n mol O2的同时生成2n mol NO2，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态。

②生成O2和NO的速率均指正反应速率，任何时候单位时间内生成n mol O2的同时，均生成2n mol NO，故不能说明反应达到平衡状态。

③化学反应速率之比恒等于化学计量数之比，故NO2、NO、O2的反应速率之比为2∶2∶1不一定是平衡状态。

④NO2为红棕色气体，当其浓度不变时，混合气体的颜色就不再改变，故说明反应达到平衡状态。

⑤根据ρ＝可知，混合气体的密度为恒定不变的量，故密度不变不能说明反应达到平衡状态。

⑥恒温恒容时，压强之比等于物质的量之比，该反应是一个正向气体物质的量增大的反应，混合气体的总压强不再变化，说明气体的总物质的量不再改变，故说明反应达到平衡状态。综上所述，正确的组合为①④⑥。

答案：A

[提升1]　解析：生成1 mol光气与消耗1 mol一氧化碳，所表示的都是正反应，根据化学方程式可知，每生成1 mol光气，都要消耗1 mol一氧化碳，故不能作为反应达到平衡状态的依据，A错误；CO、Cl2、COCl2的分子数之比为1∶1∶1，不能表示各物质的物质的量不再改变，不能判断反应是否达到平衡状态，B错误；该反应为可逆反应，无论是否达到平衡状态，CO、Cl2、COCl2都能在密闭容器中共存，C错误；合成光气的反应是气体物质的量减少的反应，混合气体的平均摩尔质量不再变化，说明各物质的物质的量不再变化，即反应达到平衡状态，D正确。

答案：D

[例2]　解析：根据三段式法，首先列出三个量，即起始时反应物的物质的量、各组分转化的物质的量和平衡时各组分的物质的量。设起始时充入1 mol N2、3 mol H2，转化的N2的物质的量为x mol，则

　　　　　N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

起始量/mol    1    3    0

转化量/mol    x3x 2x

平衡量/mol  1－x    3－3x    2x

平衡时混合气体的总物质的量为(4－2x) mol，

依题意有×100%＝16%，解得x＝，

N2的体积分数为×100%＝×100%＝21%，H2的转化率为×100%＝×100%≈27.6%。

答案：21%　27.6%

[提升2]　解析：根据恒温、恒容时，反应前后混合气体的压强之比等于其物质的量之比，可得平衡时混合气体的物质的量减少了4 mol×＝0.4 mol。由化学方程式N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)可知，生成的氨气的物质的量为0.4 mol。

　　　　　　N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)

n(起始)/mol    1    3    0

n(转化)/mol    0.2    0.6    0.4

n(平衡)/mol    0.8    2.4    0.4

(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为0.8 mol∶2.4 mol∶0.4 mol＝2∶6∶1。

(2)N2的转化率为×100%＝20%。

(3)2 min内，NH3的平均反应速率为＝0.1 mol·L－1·min－1。

答案：(1)2∶6∶1　(2)20%　(3)0.1 mol·L－1·min－1

学 考 评 价

1．解析：根据三段式法计算：

　　　　　　　　　　　　　2X(g)＋2Y(g)⇌3Z(g)＋2W(g)

起始浓度/(mol·L－1)    3    1    0    0

极限转化浓度/(mol·L－1)    2    0    1.5    1

实际上可逆反应不能进行到底，故2 mol·L－1<c(X)<3 mol·L－1、0 mol·L－1<c(Y)<1 mol·L－1、0 mol·L－<c(Z)< 1.5 mol·L－、0 mol·L－1<c(W)<1 mol·L－1，对照各选项，答案选D。

答案：D

2．解析：t2～t3时正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，各物质的浓度不再发生变化，A正确；t2时正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，即反应达到限度，B错误；t2～t3时正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，但反应速率不为0，反应没有停止，C错误；t1时正反应速率大于逆反应速率，反应向正反应方向进行的同时也向逆反应方向进行，只是向正反应方向进行的程度大，D错误。

答案：A

3．解析：该反应为可逆反应，不能进行到底，充入3 mol SO2和1 mol O2，达到平衡状态时，生成SO3的物质的量小于2 mol，A错误；由A项分析知，达到平衡状态时反应放出的热量小于197 kJ，B错误；参加反应的SO2、O2、SO3的分子数之比一定为2∶1∶2，而SO2和O2的物质的量是按3∶1充入的，达到平衡状态时，三者分子数之比一定不为2∶1∶2，C错误；当反应达到平衡状态时，正、逆反应速率相等，即SO2的消耗速率等于SO2的生成速率，又因不同物质的化学反应速率之比等于化学计量数之比，则SO3的消耗速率与SO2的生成速率相等，所以SO2的消耗速率等于SO3的消耗速率，D正确。

答案：D

4．解析：反应混合气体中只有氨气与二氧化碳，反应开始时只有氨基甲酸铵，则氨气和二氧化碳物质的量之比始终为2∶1，氨气体积分数始终不变，故不能说明反应达到平衡，A错误；1 mol NH2COONH4分解同时有17 g NH3消耗，17 g NH3的物质的量为1 mol，消耗17 g NH3生成0.5 mol NH2COONH4，v正>v逆，反应未达到平衡，B错误；随反应正向进行，混合气体的质量增大，容器的容积不变，混合气体的密度增大，当密度不再变化，说明反应达到平衡状态，C正确；若2v(NH3)＝v(CO2)，反应一定没有达到平衡状态，D错误。

答案：C