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鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 化学反应的快慢和限度教课内容ppt课件
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这是一份鲁科版 (2019)必修 第二册第3节 化学反应的快慢和限度教课内容ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·自主学习，不再改变，吸热反应，放热反应，反应物浓度，关键能力·合作学习，课堂小结，课堂检测·素养达标等内容，欢迎下载使用。
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。
【自主探索】(情境思考)在密闭容器中进行反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)。已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 ml·L-1、0.1 ml·L-1、0.2 ml·L-1。实验小组同学预测当反应达到某时刻时,体系中某一物质的浓度( ml·L-1)可能存在以下数据:
哪一组同学的预测合理?
提示:乙组。该反应为可逆反应,当SO2和O2完全转化为SO3时,c(SO2)=c(O2)=0,c(SO3)=0.4 ml·L-1;当SO3完全转化为SO2和O2时,c(SO3)=0,c(SO2)=0.4 ml·L-1,c(O2)=0.2 ml·L-1。根据可逆反应的特点:可逆反应不可能进行到底,故平衡时,0
(1)写出上述实验过程中反应的离子方程式。提示:反应的离子方程式为2Fe3++2I- 2Fe2++I2。(2)怎样通过实验说明上述反应的发生。提示:只要证明反应后的溶液中存在Fe2+和I2,就说明上述反应发生了。因此取少量反应液,加入少量CCl4,振荡,发现CCl4层显浅紫色,证明萃取到I2,即有I2生成(或取少量反应液,滴加淀粉溶液,若溶液变蓝,则说明生成了I2)。
(3)甲同学取少量反应液,滴加AgNO3溶液,发现有少量黄色沉淀(AgI)。此同学能否证明反应存在一定的限度?提示:否。因为溶液中存在过量的I-。(4)请你设计实验说明此反应具有一定的限度。提示:可以向反应体系中滴加硫氰酸钾溶液,若溶液变成血红色则证明溶液中存在三价铁离子。说明该反应存在一定限度。
二、化学平衡状态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象
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,正反应速率和逆反应速率_____,反应物的浓度与生成物的浓度_________,达到一种表面静止的状态。
3.化学平衡状态的特点
【自主探索】1.(情境思考)在密闭容器中进行反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),当SO2、O2、SO3的浓度之比为2∶1∶2时能否说明该反应达到化学平衡状态?提示:不能。因为不能说明各组分的浓度一定不变。也不能说明该反应的正、逆反应速率相等。
2.化学反应达到平衡状态后各种参与反应的物质的浓度不再发生改变的原因是反应停止了吗?提示:不是,化学反应达到平衡状态后由于各种参与反应的物质消耗的速率等于生成的速率,因此反应过程中各种物质的浓度不再发生改变。
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。
【自主探究】1.化学平衡移动反应速率一定改变吗?反应速率变化平衡一定移动吗?提示:反应速率变化是化学平衡移动的前提条件,也就是说平衡发生移动,反应速率一定发生变化,但是反应速率发生变化平衡未必发生移动。
2.(情境思考)可乐和雪碧中都溶解了二氧化碳,当打开可乐或雪碧时,会看到有大量气泡产生,为什么? 提示:可乐和雪碧中溶解有二氧化碳气体,二氧化碳与水反应的方程式为CO2+H2O H2CO3 ,打开瓶塞,压强减小,平衡向生成二氧化碳的方向移动,因此有大量气体冒出。
知识点一 化学平衡状态的判断
【规律方法】判断化学平衡状态的两个标志(1)“动态标志”即“速率标志”,指的是当用同种物质表示时,只要符合v(正)=v(逆),或者说在相同的时间内,某物质的生成量=某物质的消耗量;当用不同的物质表示时,要注意表明不同方向的反应速率,即正逆两个方向;再就是根据某物质的反应速率和化学计量数,求算出另外一种物质的反应速率,只要满足同种物质的v(正)=v(逆)即可。(2)“静态标志”指的是反应体系中,各物质物质的量浓度、质量分数等不变,而不是各物质的浓度相等或分子数满足一定的关系,这一点极具迷惑性。
【合作探究】(思维升华)对于在容积固定的密闭容器中发生的反应,若反应体系的压强不变,反应一定达到平衡状态了吗?(宏观辨识与微观探析)提示:不一定。若对于反应前后气体体积发生变化的反应来说,这个结论成立,若对于反应前后气体体积不变的反应来说,反应前后体系的压强始终是定值,所以压强是定值无法说明反应是否达到平衡状态。
(情境应用)催化还原是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。在恒容密闭容器中,CO2和H2在催化剂作用下反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),哪些状态能充分说明该反应已经达到化学平衡状态?(宏观辨识与微观探析)①CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度相等②CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度均不再发生变化③单位时间内消耗1 ml CO2,同时生成1 ml CH3OH④CO2、H2、CH3OH、H2O的分子数之比为1∶3∶1∶1
提示:②。当体系达到平衡状态时,CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度可能相等,也可能不相等,故①不能;当CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度均不再变化,说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,故②可以说明;消耗CO2和生成CH3OH都是正反应,无法确定正反应速率和逆反应速率的关系,不能确定是否达到平衡状态,故③不能;当体系达到平衡状态时,CO2、H2、CH3OH、H2O的分子数不再发生变化,而不是它们的分子数之比不变,故④不能。
【典例示范】【典例】(2020·德州高一检测)(1)下列方法可以证明2HI(g) H2(g)+I2(g)已达平衡状态的是________(填序号)。 ①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI;②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂;③百分组成w(H2)=w(I2)时; ④反应速率v(H2)=v(I2)= 时;⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1时;
⑥温度和体积一定时,某一生成物浓度不再变化时;⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化时;⑧条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化时;⑨温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化时;⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化时。(2)在上述⑥～⑩的说法中能说明2NO2(g) N2O4(g)达到平衡状态的是________(填序号)。
【解题指南】解答本题需要注意以下两点:(1)利用正逆反应速率是否相等和浓度与百分含量是否恒定去判断化学反应是否达到平衡状态。(2)结合反应方程式的特点及平衡判断的依据进行相应的判断。
【解析】本题考查如何判断一个可逆反应是否达到平衡状态,解题的关键是掌握化学平衡状态的标志。观察第(1)题反应的特征可知:此反应在反应前后气体的体积不发生变化,即在反应的任何一个阶段,容器内压强不发生改变。气体的总质量不变、总的物质的量不变,因此混合气体的密度、平均相对分子质量均不发生改变。观察第(2)题反应的特征:反应前后气体体积发生改变,因此混合气体的平均相对分子质量、混合气体密度都发生改变,当反应处于平衡状态时,这些都不再改变,此时c(NO2)恒定,颜色不再变化。答案:(1)②⑥⑨ (2)⑥⑦⑧⑨⑩
【规律方法】化学平衡状态判断的依据
【素养训练】用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应如下:3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定条件下,在密闭恒容的容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是 ( )A.v逆(N2)=3v正(H2)B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)C.混合气体密度保持不变D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
【解析】选C。利用化学反应速率之比等于方程式中化学计量数之比可知,A项应为3v逆(N2)=v正(H2),才表示v(正)=v(逆),故A错误;B项均表示正反应速率,无论反应是否处于平衡状态,都成立,B错误;混合气体密度不变,说明体系中混合气体质量不变,若未达到平衡,则混合气体质量改变,所以C项表示达到平衡状态;D项表示的浓度关系与是否平衡无关,错误。
知识点二 化学反应速率与化学平衡的关系 1.化学反应速率与化学平衡的比较
2.化学平衡的移动可以用下列图示理解:
【易错提醒】化学平衡移动的几个易错点(1)可逆反应只有达到平衡后才会有平衡的移动,在没达到平衡之前是化学平衡的建立过程,不是化学平衡的移动。(2)平衡移动的本质是不同程度地改变了v(正)和v(逆),故化学反应速率改变,化学平衡不一定移动,但化学平衡发生了移动,则化学反应速率一定改变。(3)由于任何化学反应都伴有热效应,因此,对于可逆反应达到平衡状态后只要改变体系的温度,化学平衡一定发生移动,移动的方向取决于反应是放热还是吸热。(4)由于催化剂可同等程度地改变v(正)和v(逆),故催化剂不会使化学平衡发生移动。
【合作探究】(1)(教材二次开发)教材“观察·思考”中描述的反应体系,其中热水中的反应体系与冷水中的反应体系达到平衡后哪一个反应速率更快?提示:由于热水中的反应体系温度更高因此达到平衡后反应速率更快。
(2)(情境思考)红信石就是三氧化二砷的一种天然矿物,加工以后就是著名的砒霜。砷(As)是第四周期ⅤA族元素,可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物,有着广泛的用途。
298 K时,将20 mL 3x ml·L-1Na3AsO3、20 mL 3x ml·L-1I2和20 mL NaOH溶液混合,发生反应:As (aq)+I2(aq)+2OH-(aq) As (aq)+2I-(aq)+H2O(l)。溶液中c(As )与反应时间(t)的关系如图所示。(变化观念与平衡思想)
①下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。 a.溶液的pH不再变化 b.v(I-)=2v(As )c.c(As )/c (As )不再变化 d.c(I-)=y ml·L-1②tm时,v正和v逆谁大?③tm时v逆和tn时v逆谁大?理由是什么?
【解析】①pH不再变化,则c(OH-)不变,反应处于化学平衡状态,故a正确;根据各物质的反应速率之比等于化学方程式的化学计量数之比,v(I-)=2v(As )始终成立,不能作为平衡状态的判断依据,故b错误;达到平衡时各物质的浓度保持不变,即c(As )/c(As )不再变化,反应处于平衡状态,故c正确;达到平衡时c(As )=y ml·L-1,c(I-)=2y ml·L-1,故d错误。②tm时平衡向正反应方向移动,v正>v逆。③由图可知, tm时As 浓度比tn时小,所以tm时的逆反应速率小于tn时的逆反应速率。答案:①ac ②v正大于v逆 ③tm时v逆小于tn时v逆,tm时生成物浓度较低
【典例示范】【典例】(2020·盐城高一检测)在2 L容器中有3种物质进行反应,X、Y、Z的物质的量随时间的变化曲线如图所示,反应在t时刻达到平衡。
(1)该反应的化学方程式是_______。 (2)反应起始至t时刻,Y的平均反应速率是__________。 (3)关于该反应的说法正确的是________。 A.到达t时刻该反应已停止B.在t时刻之前X的消耗速率大于它的生成速率C.在t时刻正反应速率等于逆反应速率D.在t时刻达到平衡是因为此时反应物总物质的量与生成物总物质的量相等
【解析】(1)由图知,从0～t时刻,n(X)减小,n(Y)增大,n(Z)增大,可以确定X为反应物,Y、Z为生成物,Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(Z)=0.8∶1.2∶0.4=2∶3∶1,故该反应的化学方程式为2X 3Y+Z。(2)v(Y)= ml·L-1·min-1。(3)化学平衡是一种动态平衡,故A错;在t时刻之前,可逆反应尚未达到化学平衡,此时v正(X)>v逆(X),故B对;在t时刻,可逆反应已达化学平衡,此时正、逆反应速率相等,故C对;在t时刻达到化学平衡是因为此时反应混合物中各组分的浓度不再变化,故D错。答案:(1)2X 3Y+Z (2) ml·L-1·min-1 (3)BC
【规律方法】解答图象题的方法
【素养训练】氢气是合成氨的重要原料,合成氨反应的化学方程式为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 。该反应为放热反应且每生成2 ml NH3,放出92.4 kJ的热量。
(1)当合成氨反应达到平衡后,改变某一外界条件(不改变N2、H2和NH3的量),反应速率与时间的关系如图所示。图中表示反应处于化学平衡状态的时间段(t1时刻后)为________。 (2)在一定温度下,向一个容积为1 L的容器中通入2 ml氮气和8 ml氢气及固体催化剂,使之反应。已知平衡时容器内气体的压强为起始时的80%。反应达到平衡时,放出热量为________(填序号)。 A.小于92.4 kJB.等于92.4 kJC.大于92.4 kJD.可能大于或小于或等于92.4 kJ
(3)下列能证明反应已达化学平衡的标志为______(填序号)。 A.压强不变B.体系的温度不变C.N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2D.v正(N2)= v正(H2)
【解析】(1)v正=v逆时,表明反应处于化学平衡状态,故t2～t3,t4～t5段符合。(2)气体的压强为起始的80%,则气体的物质的量也为起始时的80%,则减少量为20%,因此,反应后气体的总物质的量减少(2 ml+8 ml)×20%=2 ml。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 1 3 2 Δn=2 1 ml 3 ml 2 ml 2 ml因此反应中有1 ml N2和3 ml H2反应生成2 ml NH3,则反应放出热量为92.4 kJ。
(3)因该反应是气体分子数减少且正反应为放热的反应,故压强、温度不变能证明反应达到化学平衡;反应达平衡时,N2、H2、NH3的浓度不再变化,与化学计量数之比无关,C错误;D项v正(N2)、v正(H2)同方向,不能说明反应到达平衡状态。答案:(1)t2～t3、t4～t5 (2)B (3)AB
【三言两语话重点】 (1)可逆反应不能进行彻底,反应物与产物共存。(2)反应体系达到平衡状态后各种物质的浓度和百分含量保持不变。(3)平衡状态的特点:逆、等、定、动、变。
1.(2020·郑州高一检测)下列关于化学平衡的说法中,不正确的是( )A.当可逆反应达到平衡时,正、逆反应速率都为零B.当可逆反应达到化学平衡时,正、逆反应速率一定相等C.当可逆反应达到化学平衡后,改变某些条件可以使平衡破坏D.当可逆反应达到平衡时,尽管正、逆反应都还在进行,但各物质的浓度保持不变【解析】选A。可逆反应达到平衡时,v(正)=v(逆)≠0。
2.(教材二次开发·教材习题改编)反应2SO2+O2 2SO3达到平衡后,再向反应容器中充入含氧的同位素 O的氧气,经过一段时间后 O存在于 ( )A.O2 和SO2D.O2、SO2和SO3【解析】选D。可逆反应在相同条件下,可以向正、逆两个反应方向进行,反应体系中各物质同时存在,由于三种物质均含有氧元素,故 O可能存在于三种物质中。
3.一定条件下,发生如下反应:2A(g)+2B(g) 3C(g)+D(g)。在容积不变的密闭容器中进行,达到化学平衡状态的标志是( )A.单位时间内生成n ml B,同时消耗了3n ml CB.容器内压强不随时间而变化C.混合气体的密度不随时间而变化D.单位时间内生成2n ml A,同时生成 n ml D
【解析】选D。化学平衡状态的最根本特征是正、逆反应速率相等,但在题目中往往有许多不同的表达方法,如单位时间内总物质的量的变化、密度的变化等。解此题时的易错点是忽略此反应是反应前后气体的体积不变的反应,只要反应一开始,其气体的总压、总物质的量、密度(ρ= ,气体的总质量和容器的容积均不变)均不随时间变化。对于反应:2A(g)+2B(g) 3C(g)+D(g),由于反应中气体体积不变,气体的总压、气体的密度(ρ、m、V均不变)不变,不能说明达到平衡状态;单位时间内生成2n ml A则消耗n ml D,同时生成n ml D,则各物质的量不随时间改变而发生变化,说明已达到平衡状态。
4.2020年全球暴发了新型冠状病毒肺炎疫情,疫情期间,使用15%的过氧乙酸( )溶液对环境进行消毒,能够有效消除病菌。已知过氧乙酸(CH3COOOH)由乙酸(CH3COOH)与H2O2反应制得:CH3COOH+H2O2 CH3COOOH+H2O,下列有关说法正确的是( )
A.降低温度可加快该反应速率B.加入合适的催化剂可提高该反应速率C.达到平衡时,v(正)=v(逆)=0D.达到平衡时,H2O2转化率为100%【解析】选B。降低温度,化学反应速率会减小,A错误;催化剂能够改变反应速率,加入合适的催化剂可提高该反应速率,B正确;达到平衡时,正逆反应速率相等,但不是等于0,即v(正)=v(逆)≠0,C错误;该反应为可逆反应,达到平衡时H2O2的转化率不可能为100%,D错误。
5.对于可逆反应:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g),下列叙述不能说明该反应已达到平衡状态的是( )A.化学反应速率:4v正(O2)=5v逆(NO)B.NH3、O2、NO、H2O的分子个数比是4∶5∶4∶6C.单位时间内生成4 ml NO的同时消耗6 ml H2OD.反应混合物中NH3的体积分数不再改变
【解析】选B。根据用不同的物质表示同一反应时的速率关系,可知 v逆(O2)=v逆(NO),代入A项中表达式可知v正(O2)=v逆(O2),即正、逆反应速率相等,说明反应已达到平衡状态。达到平衡状态时四种物质的分子个数比不一定是4∶5∶4∶6,B项不能说明反应已达到平衡状态。C项,单位时间内生成4 ml NO的同时生成6 ml H2O,若此时消耗6 ml H2O,则正、逆反应速率相等,说明反应已达到平衡状态。D项,若反应混合物中各组分的体积分数一定,则说明反应已达到平衡状态。
6.(2020·大同高一检测)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要意义。对于密闭容器中的反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),在673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )A.点a的正反应速率比点b的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.点e处反应达到平衡
【解析】选D。由图可知,a点时n(H2)比b点大,即反应物浓度大,所以a点的正反应速率大于b点,A项错误,虽然c点时n(H2)=n(NH3),但二者的物质的量仍在随时间发生变化,故c点并没达到平衡,B项错误;由于在t1、t2时,n(H2)、n(NH3)不再随时间发生变化,表明反应已达到平衡,故d、e两点处n(N2)相等,C项错误,D项正确。
7.(2020·榆林高一检测)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:
(1)上述反应________(填“是”或“不是”)可逆反应。
(2)如图所示,表示NO2变化曲线的是__________。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v=__________________。 (3)能说明该反应已达到平衡状态的是________(填序号)。 A.v(NO2)=2v(O2)B.容器内压强保持不变C.v逆(NO)=2v正(O2)D.容器内密度保持不变
【解析】(1)该反应是可逆反应。(2)由平衡体系2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)知,NO2为生成物,平衡时n(NO2)=Δn(NO)=0.020 ml-0.007 ml=0.013 ml,c(NO2)= =0.006 5 ml·L-1故表示NO2变化曲线的为b。0～2 s内,v(NO)= 则v(O2)= v(NO)=0.001 5 ml·L-1·s-1。
(3)A项中未指明正、逆反应速率,故无法说明该反应是否达到平衡状态;由于该反应是反应前后气体体积不相等的反应,当容器内压强保持不变时,说明该反应已达到平衡状态,故B项正确;C项中说明正、逆反应速率相等,故说明该反应已达到平衡状态;由于气体总质量不变,气体总体积也不变,因此,无论该反应是否达到平衡,容器内密度保持不变,故D项无法说明该反应是否达到平衡状态。答案:(1)是 (2)b 0.001 5 ml·L-1·s-1 (3)BC
【素养新思维】 8.某化学实验小组同学设计如图所示装置,烧瓶A、B中装有相同浓度的NO2和N2O4的混合气体,中间用止水夹K夹紧,烧杯甲中盛放100 mL 6 ml·L-1的盐酸,烧杯乙中盛放100 mL的冷水,两烧杯液体温度相同。现向烧杯甲的溶液中放入25 g NaOH固体,同时向烧杯乙中放入25 g NH4NO3固体,搅拌使之溶解。
(1)写出烧瓶中存在的反应的化学方程式____________, 实验前烧瓶中气体呈__________色。 (2)请将该实验探究的题目补充完整____________________。 (3)分别向甲、乙烧杯中加NaOH固体和NH4NO3固体后,某同学又用温度计测量两烧杯中液体的温度,发现甲中温度__________,乙中温度__________,原因是__ ____________。 同时发现A瓶中气体颜色变深,B瓶中气体颜色变浅。 (4)由此,该小组同学得出的结论是 ____________。
【解析】烧瓶中的NO2和N2O4存在着相互转化反应, 2NO2 N2O4,NO2红棕色,N2O4无色,烧瓶中气体呈红棕色,从实验操作可看出,该小组同学欲探究温度对化学平衡的影响。NaOH固体溶解且与盐酸发生中和反应均放热,使甲烧杯中溶液温度升高,平衡2NO2 N2O4向左移动,气体颜色变深;NH4NO3溶于水吸热,使乙烧杯中溶液温度降低,平衡2NO2 N2O4向右移动,B瓶中气体颜色变浅。
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。
【自主探索】(情境思考)在密闭容器中进行反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)。已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 ml·L-1、0.1 ml·L-1、0.2 ml·L-1。实验小组同学预测当反应达到某时刻时,体系中某一物质的浓度( ml·L-1)可能存在以下数据:
哪一组同学的预测合理?
提示:乙组。该反应为可逆反应,当SO2和O2完全转化为SO3时,c(SO2)=c(O2)=0,c(SO3)=0.4 ml·L-1;当SO3完全转化为SO2和O2时,c(SO3)=0,c(SO2)=0.4 ml·L-1,c(O2)=0.2 ml·L-1。根据可逆反应的特点:可逆反应不可能进行到底,故平衡时,0
(1)写出上述实验过程中反应的离子方程式。提示:反应的离子方程式为2Fe3++2I- 2Fe2++I2。(2)怎样通过实验说明上述反应的发生。提示:只要证明反应后的溶液中存在Fe2+和I2,就说明上述反应发生了。因此取少量反应液,加入少量CCl4,振荡,发现CCl4层显浅紫色,证明萃取到I2,即有I2生成(或取少量反应液,滴加淀粉溶液,若溶液变蓝,则说明生成了I2)。
(3)甲同学取少量反应液,滴加AgNO3溶液,发现有少量黄色沉淀(AgI)。此同学能否证明反应存在一定的限度?提示:否。因为溶液中存在过量的I-。(4)请你设计实验说明此反应具有一定的限度。提示:可以向反应体系中滴加硫氰酸钾溶液,若溶液变成血红色则证明溶液中存在三价铁离子。说明该反应存在一定限度。
二、化学平衡状态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象
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,正反应速率和逆反应速率_____,反应物的浓度与生成物的浓度_________,达到一种表面静止的状态。
3.化学平衡状态的特点
【自主探索】1.(情境思考)在密闭容器中进行反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),当SO2、O2、SO3的浓度之比为2∶1∶2时能否说明该反应达到化学平衡状态?提示:不能。因为不能说明各组分的浓度一定不变。也不能说明该反应的正、逆反应速率相等。
2.化学反应达到平衡状态后各种参与反应的物质的浓度不再发生改变的原因是反应停止了吗?提示:不是,化学反应达到平衡状态后由于各种参与反应的物质消耗的速率等于生成的速率,因此反应过程中各种物质的浓度不再发生改变。
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。
【自主探究】1.化学平衡移动反应速率一定改变吗?反应速率变化平衡一定移动吗?提示:反应速率变化是化学平衡移动的前提条件,也就是说平衡发生移动,反应速率一定发生变化,但是反应速率发生变化平衡未必发生移动。
2.(情境思考)可乐和雪碧中都溶解了二氧化碳,当打开可乐或雪碧时,会看到有大量气泡产生,为什么? 提示:可乐和雪碧中溶解有二氧化碳气体,二氧化碳与水反应的方程式为CO2+H2O H2CO3 ,打开瓶塞,压强减小,平衡向生成二氧化碳的方向移动,因此有大量气体冒出。
知识点一 化学平衡状态的判断
【规律方法】判断化学平衡状态的两个标志(1)“动态标志”即“速率标志”,指的是当用同种物质表示时,只要符合v(正)=v(逆),或者说在相同的时间内,某物质的生成量=某物质的消耗量;当用不同的物质表示时,要注意表明不同方向的反应速率,即正逆两个方向;再就是根据某物质的反应速率和化学计量数,求算出另外一种物质的反应速率,只要满足同种物质的v(正)=v(逆)即可。(2)“静态标志”指的是反应体系中,各物质物质的量浓度、质量分数等不变,而不是各物质的浓度相等或分子数满足一定的关系,这一点极具迷惑性。
【合作探究】(思维升华)对于在容积固定的密闭容器中发生的反应,若反应体系的压强不变,反应一定达到平衡状态了吗?(宏观辨识与微观探析)提示:不一定。若对于反应前后气体体积发生变化的反应来说,这个结论成立,若对于反应前后气体体积不变的反应来说,反应前后体系的压强始终是定值,所以压强是定值无法说明反应是否达到平衡状态。
(情境应用)催化还原是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。在恒容密闭容器中,CO2和H2在催化剂作用下反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),哪些状态能充分说明该反应已经达到化学平衡状态?(宏观辨识与微观探析)①CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度相等②CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度均不再发生变化③单位时间内消耗1 ml CO2,同时生成1 ml CH3OH④CO2、H2、CH3OH、H2O的分子数之比为1∶3∶1∶1
提示:②。当体系达到平衡状态时,CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度可能相等,也可能不相等,故①不能;当CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度均不再变化,说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,故②可以说明;消耗CO2和生成CH3OH都是正反应,无法确定正反应速率和逆反应速率的关系,不能确定是否达到平衡状态,故③不能;当体系达到平衡状态时,CO2、H2、CH3OH、H2O的分子数不再发生变化,而不是它们的分子数之比不变,故④不能。
【典例示范】【典例】(2020·德州高一检测)(1)下列方法可以证明2HI(g) H2(g)+I2(g)已达平衡状态的是________(填序号)。 ①单位时间内生成n ml H2的同时生成n ml HI;②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂;③百分组成w(H2)=w(I2)时; ④反应速率v(H2)=v(I2)= 时;⑤c(HI)∶c(H2)∶c(I2)=2∶1∶1时;
⑥温度和体积一定时,某一生成物浓度不再变化时;⑦温度和体积一定时,容器内压强不再变化时;⑧条件一定,混合气体的平均相对分子质量不再变化时;⑨温度和体积一定时,混合气体的颜色不再变化时;⑩温度和压强一定时,混合气体的密度不再变化时。(2)在上述⑥～⑩的说法中能说明2NO2(g) N2O4(g)达到平衡状态的是________(填序号)。
【解题指南】解答本题需要注意以下两点:(1)利用正逆反应速率是否相等和浓度与百分含量是否恒定去判断化学反应是否达到平衡状态。(2)结合反应方程式的特点及平衡判断的依据进行相应的判断。
【解析】本题考查如何判断一个可逆反应是否达到平衡状态,解题的关键是掌握化学平衡状态的标志。观察第(1)题反应的特征可知:此反应在反应前后气体的体积不发生变化,即在反应的任何一个阶段,容器内压强不发生改变。气体的总质量不变、总的物质的量不变,因此混合气体的密度、平均相对分子质量均不发生改变。观察第(2)题反应的特征:反应前后气体体积发生改变,因此混合气体的平均相对分子质量、混合气体密度都发生改变,当反应处于平衡状态时,这些都不再改变,此时c(NO2)恒定,颜色不再变化。答案:(1)②⑥⑨ (2)⑥⑦⑧⑨⑩
【规律方法】化学平衡状态判断的依据
【素养训练】用氮化硅(Si3N4)陶瓷代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高发动机的热效率。工业上用化学气相沉积法制备氮化硅,其反应如下:3SiCl4(g)+2N2(g)+6H2(g) Si3N4(s)+12HCl(g)。一定条件下,在密闭恒容的容器中,能表示上述反应达到化学平衡状态的是 ( )A.v逆(N2)=3v正(H2)B.v正(HCl)=4v正(SiCl4)C.混合气体密度保持不变D.c(N2)∶c(H2)∶c(HCl)=1∶3∶6
【解析】选C。利用化学反应速率之比等于方程式中化学计量数之比可知,A项应为3v逆(N2)=v正(H2),才表示v(正)=v(逆),故A错误;B项均表示正反应速率,无论反应是否处于平衡状态,都成立,B错误;混合气体密度不变,说明体系中混合气体质量不变,若未达到平衡,则混合气体质量改变,所以C项表示达到平衡状态;D项表示的浓度关系与是否平衡无关,错误。
知识点二 化学反应速率与化学平衡的关系 1.化学反应速率与化学平衡的比较
2.化学平衡的移动可以用下列图示理解:
【易错提醒】化学平衡移动的几个易错点(1)可逆反应只有达到平衡后才会有平衡的移动,在没达到平衡之前是化学平衡的建立过程,不是化学平衡的移动。(2)平衡移动的本质是不同程度地改变了v(正)和v(逆),故化学反应速率改变,化学平衡不一定移动,但化学平衡发生了移动,则化学反应速率一定改变。(3)由于任何化学反应都伴有热效应,因此,对于可逆反应达到平衡状态后只要改变体系的温度,化学平衡一定发生移动,移动的方向取决于反应是放热还是吸热。(4)由于催化剂可同等程度地改变v(正)和v(逆),故催化剂不会使化学平衡发生移动。
【合作探究】(1)(教材二次开发)教材“观察·思考”中描述的反应体系,其中热水中的反应体系与冷水中的反应体系达到平衡后哪一个反应速率更快?提示:由于热水中的反应体系温度更高因此达到平衡后反应速率更快。
(2)(情境思考)红信石就是三氧化二砷的一种天然矿物,加工以后就是著名的砒霜。砷(As)是第四周期ⅤA族元素,可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物,有着广泛的用途。
298 K时,将20 mL 3x ml·L-1Na3AsO3、20 mL 3x ml·L-1I2和20 mL NaOH溶液混合,发生反应:As (aq)+I2(aq)+2OH-(aq) As (aq)+2I-(aq)+H2O(l)。溶液中c(As )与反应时间(t)的关系如图所示。(变化观念与平衡思想)
①下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。 a.溶液的pH不再变化 b.v(I-)=2v(As )c.c(As )/c (As )不再变化 d.c(I-)=y ml·L-1②tm时,v正和v逆谁大?③tm时v逆和tn时v逆谁大?理由是什么?
【解析】①pH不再变化,则c(OH-)不变,反应处于化学平衡状态,故a正确;根据各物质的反应速率之比等于化学方程式的化学计量数之比,v(I-)=2v(As )始终成立,不能作为平衡状态的判断依据,故b错误;达到平衡时各物质的浓度保持不变,即c(As )/c(As )不再变化,反应处于平衡状态,故c正确;达到平衡时c(As )=y ml·L-1,c(I-)=2y ml·L-1,故d错误。②tm时平衡向正反应方向移动,v正>v逆。③由图可知, tm时As 浓度比tn时小,所以tm时的逆反应速率小于tn时的逆反应速率。答案:①ac ②v正大于v逆 ③tm时v逆小于tn时v逆,tm时生成物浓度较低
【典例示范】【典例】(2020·盐城高一检测)在2 L容器中有3种物质进行反应,X、Y、Z的物质的量随时间的变化曲线如图所示,反应在t时刻达到平衡。
(1)该反应的化学方程式是_______。 (2)反应起始至t时刻,Y的平均反应速率是__________。 (3)关于该反应的说法正确的是________。 A.到达t时刻该反应已停止B.在t时刻之前X的消耗速率大于它的生成速率C.在t时刻正反应速率等于逆反应速率D.在t时刻达到平衡是因为此时反应物总物质的量与生成物总物质的量相等
【解析】(1)由图知,从0～t时刻,n(X)减小,n(Y)增大,n(Z)增大,可以确定X为反应物,Y、Z为生成物,Δn(X)∶Δn(Y)∶Δn(Z)=0.8∶1.2∶0.4=2∶3∶1,故该反应的化学方程式为2X 3Y+Z。(2)v(Y)= ml·L-1·min-1。(3)化学平衡是一种动态平衡,故A错;在t时刻之前,可逆反应尚未达到化学平衡,此时v正(X)>v逆(X),故B对;在t时刻,可逆反应已达化学平衡,此时正、逆反应速率相等,故C对;在t时刻达到化学平衡是因为此时反应混合物中各组分的浓度不再变化,故D错。答案:(1)2X 3Y+Z (2) ml·L-1·min-1 (3)BC
【规律方法】解答图象题的方法
【素养训练】氢气是合成氨的重要原料,合成氨反应的化学方程式为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) 。该反应为放热反应且每生成2 ml NH3,放出92.4 kJ的热量。
(1)当合成氨反应达到平衡后,改变某一外界条件(不改变N2、H2和NH3的量),反应速率与时间的关系如图所示。图中表示反应处于化学平衡状态的时间段(t1时刻后)为________。 (2)在一定温度下,向一个容积为1 L的容器中通入2 ml氮气和8 ml氢气及固体催化剂,使之反应。已知平衡时容器内气体的压强为起始时的80%。反应达到平衡时,放出热量为________(填序号)。 A.小于92.4 kJB.等于92.4 kJC.大于92.4 kJD.可能大于或小于或等于92.4 kJ
(3)下列能证明反应已达化学平衡的标志为______(填序号)。 A.压强不变B.体系的温度不变C.N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2D.v正(N2)= v正(H2)
【解析】(1)v正=v逆时,表明反应处于化学平衡状态,故t2～t3,t4～t5段符合。(2)气体的压强为起始的80%,则气体的物质的量也为起始时的80%,则减少量为20%,因此,反应后气体的总物质的量减少(2 ml+8 ml)×20%=2 ml。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 1 3 2 Δn=2 1 ml 3 ml 2 ml 2 ml因此反应中有1 ml N2和3 ml H2反应生成2 ml NH3,则反应放出热量为92.4 kJ。
(3)因该反应是气体分子数减少且正反应为放热的反应,故压强、温度不变能证明反应达到化学平衡;反应达平衡时,N2、H2、NH3的浓度不再变化,与化学计量数之比无关,C错误;D项v正(N2)、v正(H2)同方向,不能说明反应到达平衡状态。答案:(1)t2～t3、t4～t5 (2)B (3)AB
【三言两语话重点】 (1)可逆反应不能进行彻底,反应物与产物共存。(2)反应体系达到平衡状态后各种物质的浓度和百分含量保持不变。(3)平衡状态的特点:逆、等、定、动、变。
1.(2020·郑州高一检测)下列关于化学平衡的说法中,不正确的是( )A.当可逆反应达到平衡时,正、逆反应速率都为零B.当可逆反应达到化学平衡时,正、逆反应速率一定相等C.当可逆反应达到化学平衡后,改变某些条件可以使平衡破坏D.当可逆反应达到平衡时,尽管正、逆反应都还在进行,但各物质的浓度保持不变【解析】选A。可逆反应达到平衡时,v(正)=v(逆)≠0。
2.(教材二次开发·教材习题改编)反应2SO2+O2 2SO3达到平衡后,再向反应容器中充入含氧的同位素 O的氧气,经过一段时间后 O存在于 ( )A.O2 和SO2D.O2、SO2和SO3【解析】选D。可逆反应在相同条件下,可以向正、逆两个反应方向进行,反应体系中各物质同时存在,由于三种物质均含有氧元素,故 O可能存在于三种物质中。
3.一定条件下,发生如下反应:2A(g)+2B(g) 3C(g)+D(g)。在容积不变的密闭容器中进行,达到化学平衡状态的标志是( )A.单位时间内生成n ml B,同时消耗了3n ml CB.容器内压强不随时间而变化C.混合气体的密度不随时间而变化D.单位时间内生成2n ml A,同时生成 n ml D
【解析】选D。化学平衡状态的最根本特征是正、逆反应速率相等,但在题目中往往有许多不同的表达方法,如单位时间内总物质的量的变化、密度的变化等。解此题时的易错点是忽略此反应是反应前后气体的体积不变的反应,只要反应一开始,其气体的总压、总物质的量、密度(ρ= ,气体的总质量和容器的容积均不变)均不随时间变化。对于反应:2A(g)+2B(g) 3C(g)+D(g),由于反应中气体体积不变,气体的总压、气体的密度(ρ、m、V均不变)不变,不能说明达到平衡状态;单位时间内生成2n ml A则消耗n ml D,同时生成n ml D,则各物质的量不随时间改变而发生变化,说明已达到平衡状态。
4.2020年全球暴发了新型冠状病毒肺炎疫情,疫情期间,使用15%的过氧乙酸( )溶液对环境进行消毒,能够有效消除病菌。已知过氧乙酸(CH3COOOH)由乙酸(CH3COOH)与H2O2反应制得:CH3COOH+H2O2 CH3COOOH+H2O,下列有关说法正确的是( )
A.降低温度可加快该反应速率B.加入合适的催化剂可提高该反应速率C.达到平衡时,v(正)=v(逆)=0D.达到平衡时,H2O2转化率为100%【解析】选B。降低温度,化学反应速率会减小,A错误;催化剂能够改变反应速率,加入合适的催化剂可提高该反应速率,B正确;达到平衡时,正逆反应速率相等,但不是等于0,即v(正)=v(逆)≠0,C错误;该反应为可逆反应,达到平衡时H2O2的转化率不可能为100%,D错误。
5.对于可逆反应:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g),下列叙述不能说明该反应已达到平衡状态的是( )A.化学反应速率:4v正(O2)=5v逆(NO)B.NH3、O2、NO、H2O的分子个数比是4∶5∶4∶6C.单位时间内生成4 ml NO的同时消耗6 ml H2OD.反应混合物中NH3的体积分数不再改变
【解析】选B。根据用不同的物质表示同一反应时的速率关系,可知 v逆(O2)=v逆(NO),代入A项中表达式可知v正(O2)=v逆(O2),即正、逆反应速率相等,说明反应已达到平衡状态。达到平衡状态时四种物质的分子个数比不一定是4∶5∶4∶6,B项不能说明反应已达到平衡状态。C项,单位时间内生成4 ml NO的同时生成6 ml H2O,若此时消耗6 ml H2O,则正、逆反应速率相等,说明反应已达到平衡状态。D项,若反应混合物中各组分的体积分数一定,则说明反应已达到平衡状态。
6.(2020·大同高一检测)合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要意义。对于密闭容器中的反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),在673 K、30 MPa下,n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。下列叙述正确的是 ( )A.点a的正反应速率比点b的小B.点c处反应达到平衡C.点d(t1时刻)和点e(t2时刻)处n(N2)不一样D.点e处反应达到平衡
【解析】选D。由图可知,a点时n(H2)比b点大,即反应物浓度大,所以a点的正反应速率大于b点,A项错误,虽然c点时n(H2)=n(NH3),但二者的物质的量仍在随时间发生变化,故c点并没达到平衡,B项错误;由于在t1、t2时,n(H2)、n(NH3)不再随时间发生变化,表明反应已达到平衡,故d、e两点处n(N2)相等,C项错误,D项正确。
7.(2020·榆林高一检测)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:
(1)上述反应________(填“是”或“不是”)可逆反应。
(2)如图所示,表示NO2变化曲线的是__________。用O2表示从0～2 s内该反应的平均速率v=__________________。 (3)能说明该反应已达到平衡状态的是________(填序号)。 A.v(NO2)=2v(O2)B.容器内压强保持不变C.v逆(NO)=2v正(O2)D.容器内密度保持不变
【解析】(1)该反应是可逆反应。(2)由平衡体系2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)知,NO2为生成物,平衡时n(NO2)=Δn(NO)=0.020 ml-0.007 ml=0.013 ml,c(NO2)= =0.006 5 ml·L-1故表示NO2变化曲线的为b。0～2 s内,v(NO)= 则v(O2)= v(NO)=0.001 5 ml·L-1·s-1。
(3)A项中未指明正、逆反应速率,故无法说明该反应是否达到平衡状态;由于该反应是反应前后气体体积不相等的反应,当容器内压强保持不变时,说明该反应已达到平衡状态,故B项正确;C项中说明正、逆反应速率相等,故说明该反应已达到平衡状态;由于气体总质量不变,气体总体积也不变,因此,无论该反应是否达到平衡,容器内密度保持不变,故D项无法说明该反应是否达到平衡状态。答案:(1)是 (2)b 0.001 5 ml·L-1·s-1 (3)BC
【素养新思维】 8.某化学实验小组同学设计如图所示装置,烧瓶A、B中装有相同浓度的NO2和N2O4的混合气体,中间用止水夹K夹紧,烧杯甲中盛放100 mL 6 ml·L-1的盐酸,烧杯乙中盛放100 mL的冷水,两烧杯液体温度相同。现向烧杯甲的溶液中放入25 g NaOH固体,同时向烧杯乙中放入25 g NH4NO3固体,搅拌使之溶解。
(1)写出烧瓶中存在的反应的化学方程式____________, 实验前烧瓶中气体呈__________色。 (2)请将该实验探究的题目补充完整____________________。 (3)分别向甲、乙烧杯中加NaOH固体和NH4NO3固体后,某同学又用温度计测量两烧杯中液体的温度,发现甲中温度__________,乙中温度__________,原因是__ ____________。 同时发现A瓶中气体颜色变深,B瓶中气体颜色变浅。 (4)由此,该小组同学得出的结论是 ____________。
【解析】烧瓶中的NO2和N2O4存在着相互转化反应, 2NO2 N2O4,NO2红棕色,N2O4无色,烧瓶中气体呈红棕色,从实验操作可看出,该小组同学欲探究温度对化学平衡的影响。NaOH固体溶解且与盐酸发生中和反应均放热,使甲烧杯中溶液温度升高,平衡2NO2 N2O4向左移动,气体颜色变深;NH4NO3溶于水吸热,使乙烧杯中溶液温度降低,平衡2NO2 N2O4向右移动,B瓶中气体颜色变浅。
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