知识讲解_化学反应的限度

1 化学反应的限度 【学习目标】 1、了解化学平衡的特征； 2、掌握化学平衡状态的判断； 3、掌握常用的控制反应条件的方法。 【要点梳理】 要点一、化学反应的限度 1．可逆反应：【高清课堂：挑战有极限—化学反应限度 ID：370203#可逆反应】 （1）可逆反应：一定条件下既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应。 要点诠释：不管反应方程式如何书写，向右方向进行的反应叫正反应，向左方向进行的反应叫逆反应。一个 可逆反应是 2 个反应组成的体系，含有 2 个反应速率：v(正)和 v(逆)来表示各相应反应的快慢程度，v(正)与 v(逆) 既相互联系又各自独立。 （2）可逆反应在写化学方程式时不用“ ”而用“ ”。如工业制硫酸时，SO2 与 O2 的反应是可逆反 　　（3）可逆反应的特点： ①由正反应和逆反应 2 个反应组成，分别用 v(正)和 v(逆)来衡量各自反应进行的快慢。 ②反应物和生成物同时共存。 ③若条件保持一定，最终都会建立一个化学平衡状态。 2．化学反应的限度——化学平衡状态 　　（1）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相等，反应物和生成物浓 度不再发生变化，这种状态称为化学平衡状态，这就是这个反应所能达到的限度。 　　（2）特点： 　　①逆：化学平衡适用的是可逆反应。 　　②等：化学平衡引起的原因是正、逆反应速率相等（即 v(正)=v(逆)），即同一时间内对某一物质来说，生 成的量和消耗的量相等。 　　③定：正反应速率和逆反应速率相等，引起的结果是各物质的浓度都不再发生变化。这种相对稳定的状态为 化学平衡状态。 　　④动：平衡后，正、逆反应仍在进行，即正、逆反应速率相等但不为零，平衡为动态平衡。 　　⑤变：由于速率受条件的影响，当改变外界条件时，速率发生变化，正、逆反应速率可能不再相等（即 v(正) ≠v(逆)），平衡就会发生变化，这就是平衡移动。 　　综上所述，可知平衡建立的实质是速率相等，可用图像表示为： 　　　　　　　　　　　　　　　 要点二、化学平衡状态的判断 　　1．任何情况下均可作为标志的是： 　　①v(正)=v(逆) 　　要点诠释：v(正)=v(逆)在一个反应中，其含义是指对某一物质而言 v(生)=v(消)，必须包含两个方向的速率2 （即正反应速率和逆反应速率）；同一物质，速率相等，不同物质，速率之比等于化学计量数之比。 ②各组分浓度(百分含量、物质的量、质量)不随时间变化 2．在一定条件下可作为标志的是： ①对于有色物质参加或生成的可逆反应体系，颜色不再变化。 　　②对于反应前后气体体积变化的反应来说，气体的总的物质的量、平均相对分子质量保持不变，以及恒压下 体积不再改变，恒容下压强不再改变，都可以成为判断平衡状态的标志。 3．不能作为判断标志的是： 　　①各物质的物质的量或浓度变化或反应速率之比=化学计量数之比。 　　②有气态物质参加或生成的反应，若反应前后气体的体积变化为 0，则混合气体平均相对分子质量 M 和反 应总压 P 不变(恒温恒容) 　　③对于均为气体参加或生成的体系，恒容时密度不发生变化。 4．反应类型分析（如下表所示） 对于密闭容器中的反应 mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)，根据对化学平衡状态概念的理解，判断下列各情况 是否达到平衡。 可能的情况举例 是否已达平衡 各物质的物质的量或各物质的物质的量分数一定 平衡 各物质的质量或各物质的质量分数一定 平衡 各气体的体积或体积分数一定 平衡 混合物体系中各成分的 含量 总压强、总体积、总物质的量一定 不一定平衡 在单位时间内消耗了 mmolA，同时生成 mmolA，即 v(正)=v(逆) 平衡 在单位时间内消耗了 nmolB，同时生成 pmolC 不一定平衡 v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q 不一定平衡 正、逆反应速率的关系 在单位时间内生成了 nmolB，同时消耗 qmolD 不一定平衡 压强不再变化，当 m+n≠p+q 平衡压强 压强不再变化，当 m+n=p+q 不一定平衡 一定，当 m+n≠p+q 平衡混合气体的平均相对分 子质量（ ） 一定，当 m+n=p+q 不一定平衡 温度 任何化学反应都伴随着能量变化，在其他条件不变的情况下，体系 温度一定 平衡 气体的密度 密度一定 不一定平衡 颜色 反应体系内有色物质的颜色不变，即有色物质的浓度不变 平衡 要点三、化学反应条件的控制 1．化学反应条件的选择 由于化学反应的速率受反应物自身的性质、温度、浓度、气体压强、催化剂、固体表面积等条件的影响，所 以人们通常从上述方面考虑，选取适当的条件既可以控制化学反应速率，又可以提高化学反应的限度。 　 2．燃料充分燃烧条件的选择 （1）燃料燃烧的条件：燃料与空气接触；温度达到燃料的着火点。 （2）燃料充分燃烧的条件：要有足够的空气或氧气（助燃剂）；燃料与空气或氧气要有足够大的接触面积。 （3）燃料充分燃烧的意义：使有限的能量发挥最大的作用，节约能源；降低污染的程度。 3．提高燃料燃烧效率的措施 （1）尽可能使燃料充分燃烧，提高能量的转化率。关键是燃料与空气或氧气要尽可能充分接触，且空气要 适当过量。3 （2）尽可能充分利用燃料燃烧所释放的热能，提高热能的利用率。 【典型例题】 类型一：化学反应的限度 例 1、下列关于化学反应限度的说法正确的是（ ） 　　 A．一个可逆反应达到的平衡状态就是这个反应在该条件下所能达到的限度 　　 B．当一个可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应速率相等 　　 C．平衡状态是一种静止的状态，反应物和生成物的浓度已经不再改变 　　 D．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变 【答案】AB 【解析】化学反应的限度即化学反应进行的程度，可以通过改变反应条件而进行调节。 【总结升华】本题考查的是有关化学反应限度的概念。 举一反三： 【高清课堂：挑战有极限—化学反应限度 ID：370203#例题 3】 【变式 1】化学平衡状态的特征是（ ） A．反应停止了 B．正、逆反应速率都为零 C．正、逆反应都还在继续进行 D．正、逆反应的速率相等 【答案】CD 【变式 2】(2016 四中同步)一定条件下，将 A、B、C 三种物质各 1 mol 通入一个密闭容器中发生反应:2A+B 2C，达到化学反应限度时，B 的物质的量可能是(　　) A.1.5 mol B.1 mol C.0.5 mol D.0 【答案】B 【解析】本题考查可逆反应的特点及物质的平衡的物质的量的计算的知识。用极值法判断。假如完全向右进 行，则 B 的最小值为 0.5mol；若完全向左进行，则 B 的最大值是 1.5 mol 。 由于该反应是可逆反应，当达到化 学平衡时，各种物质应该是共存的。所以 B 的物质的量应该在最大值与最小值之间。符合题意的只有 1mol。 类型二：化学平衡状态的判断 例 2、在一定条件下，可逆反应 2A2(g)+2B2(g) 3C2(g)+D2(g)在容积不变的容器中进行。达到平衡的标志 是（ ） 　　A．单位时间内生成 2n mol B2，同时消耗 3n mol C2 　　B．容器内压强不随时间变化 　　C．混合气的密度不随时间变化 　　D．混合气的平均摩尔质量不随时间变化 　　E．单位时间内断裂 2 mol A-A 键，同时断裂 3 mol C-C 键 　　【答案】E 【解析】在任何时刻，单位时间内生成 2n mol B2 的同时必然消耗 3n mol C2，两个速率的指向相同，不能作 为到达平衡的标志，所以 A 选项错；该反应的特征是反应前后气体体积不变，恒温恒容时在任何时刻气体物质 的量均不变，压强均不变，又因为密闭体系质量守恒，所以平均摩尔质量不变；又因为恒容，所以密度不变，所 以 B、C、D 不能作为判断标志；消耗 2 mol A 的同时必生成 3 mol C，则 C 的生成速率等于 C 的消耗速率，所 以 E 可以作为到达平衡的标志。 举一反三：4 【高清课堂：挑战有极限—化学反应限度 ID：370203#例题 4】 【变式 1】在一定温度下,可逆反应 A(g) +3B(g) 2C(g)达到化学平衡状态的标志是（ ） A．A、B、C 的浓度相等 B．A、B、C 的浓度不再发生变化 C．单位时间内生成 nmolA 同时生成 3nmolB D．A、B、C 的分子数之比为 1:3:2 【答案】B 【变式 2】一定条件下，在密闭容器中进行反应：2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）。当 SO2、O2、SO3 的浓度不再改变时，下列说法正确的是（ ） A．SO2、O2 完全转化为 SO3 B．正、逆反应速率相等且等于零 C．反应已达到化学平衡状态 D．SO2、O2、SO3 的浓度一定相等 【答案】C 类型三：化学反应限度的计算 例 3、将 6 mol A、3 mol B 充入容积为 0.5 L 的密闭容器中，进行反应：2A (g)+B (g) 2C (g)，经 60 s 后反 应达到平衡状态，平衡时容器内压强为起始时压强的 0.8 倍，则用 A 表示的反应速率为________，B 的转化率为 ________，平衡时 C 的物质的量浓度为________。 【思路点拨】 【答案】0.12mol／(L·S) 60％ 7.2 mol/L 【解析】设反应开始到达平衡时消耗 B 的物质的量为 n mol，则 2A (g) + B(g) 2C (g) 起始物质的量／mol 6 3 0 转化物质的量／mol 2n n 2n 平衡物质的量／mol 6－2n 3－n 2n 根据阿伏加德罗定律，温度一定时，气体的体积比与压强比相等，有 ，即 n=1.8。 则用 A 表示的反应速率为 ， B 的转化率 ， C 的平衡浓度= 。 【总结升华】化学平衡题计算的一般方法是：分三段（起始、转化、、平衡）设计计算模式，根据条件（列 方程）计算。对于反应物：n(平)=n(始)－n(变)；对于生成物：n(平)=n(始)+n(变)。 举一反三： 【高清课堂：挑战有极限—化学反应限度 ID：370203#例题 6】 【变式 1】在 800℃时，下列可逆反应达到化学平衡，CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)，已知当 CO 和水蒸 气的起始浓度为 0.01mol/L 时，氢气的平衡浓度为 0.005mol/L。此时，若再加入 0.02mol/L 的水蒸气，重新达到 平衡时，氢气的新平衡浓度应该是（ ） 100% 100%× = ×反应物转化的物质的量浓度 反应物转化的物质的量转化率= 反应物起始的物质的量浓度 反应物起始的物质的量 9 1 (6 2 ) (3 ) 2 0.8n n n =− + − + 2 1.8mol(A) 0.12mol/(L s)0.5L 60sv ×= = ⋅× 1.8100% 100% 60%3 3 n= × = × = 2 1.8mol 7.2mol / L0.5L × =5 A．0.0025mol/L B．0.0075mol/L C．0.01mol/L D．0.015mol/L 【答案】B 类型四：化学反应条件的控制 例 4、下列措施中不能提高固体燃料利用率的是(　 ) 　　A．粉碎固体燃烧，增大反应接触面积 　　B．鼓入足量空气，使燃料与氧气充分接触 　　C．使煤洁净(气化和液化)，减少污染物的排放 　　D．鼓入大量空气(远远过量)，使燃料完全燃烧 【答案】D 【解析】提高固体燃料利用率，通常可以通过增大反应接触面积或增大空气量来实现。空气远远过量，会带 走部分热量．不利于燃料的充分利用。 举一反三： 【变式 1】工业上合成氨的反应为 N2(气)＋3H2(气) 2NH3＋92.4kJ。 　　(1)使用铁触媒作催化剂是为了　　　　　　　　。 　　(2)通常采用 2×107Pa～5×107Pa 的压强，原因是　　　　　　　　　　。 　　(3)选择 500℃左右的温度进行反应，是由于　　　　　　　　。 　　(4)将生成的氨及时从混合气中分离出来，原因是　　　　　　　。 【答案】 (1)是为提高反应速率，即提高单位时间内 NH3 的产量。 　　(2)采用这样的压强，既可以提高反应速率，又可以提高 N2、H2 的转化率，同时对动力、设备的要求又不很 高。 　　(3)一是提高反应速率，二是使催化剂催化活性增强，大大提高反应速率，三是对正反应为放热反应的该反 应影响不太大。 　　(4)减少生成物的浓度，使平衡向合成方向移动。6 【巩固练习】 一、选择题（每题有 1-2 个选项符合题意） 1. 对于可逆反应 2SO2+O2 2SO3，在混合气体中充入一定量的 18O2，足够长的时间后，18O 原子 （　 ） 　　A．只存在于 O2 中　　　　　　　　　　 B．只存在于 O2 和 SO3 中　 　　C．只存在于 O2 和 SO2 中　　　　　　　　D．存在于 O2、SO2 和 SO3 中 2．(2016 丰台会考模拟) 一密闭容器中充入 1 mol N2 和 3 mol H2，在一定条件下反应。下列有关说法正确 的是（　 ） A.达到化学平衡时，N2 将完全转化为 NH3 B.达到化学平衡时，N2、H2 和 NH3 的物质的量浓度一定相等 C.达到化学平衡时，正反应和逆反应的速率都为零 D.达到化学平衡时，N2、H2 和 NH3 的物质的量浓度不再变化 3．对于可逆反应 2SO2+O2 2SO3：下列哪种情况达到了化学平衡状态（ ） 　　A．反应容器内，SO2、O2、SO3 共存时的状态 　　B．SO2 的分解速率等于 SO3 的生成速率的状态 　　C．单位时间内，每消耗 2molSO2 同时生成 1molSO2 　　D．单位时间内，每消耗 1molSO2 同时消耗 1molSO3　　 4．能够说明 H2(g)＋I2(g) 2HI(g)(HI 为无色气体)已达平衡状态的是(　　) A．一个 H－H 键断裂的同时有一个 H－I 键形成 B．v(正)(H2)＝v(逆)(HI)时的状态 C．恒温恒容时，反应混合物总质量保持不变的状态 D．恒温恒容时，体系的颜色不再发生变化的状态 5．一定条件下，密闭容器中进行的反应：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g），下列说法能充分说明该反应 已达到化学平衡状态的是（ ） A．N2、H2 完全转化为 NH3 B．N2、H2、NH3 的浓度一定相等 C．正、逆反应速率相等且等于零 D．N2、H2、NH3 的浓度不再改变 6．（2016 四中同步）可逆反应 H2(g)＋I2(g) 2HI(g) 达到平衡状态时的标志是 A.混合气体的体积恒定不变 B.混合气体的颜色不再改变 C.混合气体的平均摩尔质量不变 D.I2 在混合气体中的体积分数与 H2 在混合气体中的体积分数相等 7．一定条件下，将 A、B、C 三种物质各 1mol 通入一个密闭容器中发生反应：2A＋B 2C，达到化学反 应限度时，B 的物质的量可能是(　　) A．1.5mol　　 B．1mol　　 C．0.5mol　　 D．0 8．硫酸是一种重要的化工产品，硫酸的消耗量常被视为一个国家工业发达水平的一种标志。目前的重要生7 产方法是“接触法”，有关接触氧化反应 2SO2＋O2 2SO3 的说法不正确的是(　　) A．该反应为可逆反应，故在一定条件下二氧化硫和氧气不可能全部转化为三氧化硫 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．一定条件下，向某密闭容器中加入 2molSO2 和 1molO2，则从反应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．在利用上述反应生产三氧化硫时，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 9．在一定量的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 0.2mol·L－1、0.1mol·L－1、0.2mol·L－1，当反应达到平衡时，可能存在的数据是(　　) A．SO2 为 0.4mol·L－1、O2 为 0.2mol·L－1 B．SO2 为 0.25mol·L－1 C．SO2、SO3 均为 0.15mol·L－1 D．SO3 为 0.40mol·L－1 10．把 6molA 气体和 5molB 气体混合放入 4L 密闭容器中，在一定条件下发生反应：3A(g)＋B(g) 2C(g) ＋xD(g)，经 5min 达到平衡，此时生成 C 为 2mol，测定 D 的平均反应速率为 0.1mol/(L·min)，下列说法错误的是 (　　) A．x＝2 B．B 的转化率为 20% C．平衡时 A 的浓度为 0.8mol/L D．恒温达平衡时容器内的压强为开始时的 85% 11．（2015 安庆模拟）密闭溶液中发生可逆反应：X2 (g)+Y2 (g) 2Z (g)。已知起始时 X2、Y2、Z 各物质 的浓度分别为 0.1 mol·L－1、0.3 mol·L－1、0.2 mol·L－1 ，反应在一定条件下达到平衡时，各物质的物质的量 浓度可能是（ ）。 A．c（Z）=0.3 mol·L－1 B．c（Y2）=0.35mol·L－1 C．c（Y2）=0.2 mol·L－1 D．c（Z）=0.4 mol·L－1 12．中国燃料锅炉采用沸腾炉逐渐增多，采用沸腾炉的好处在于（ ）　　 　 　　A．增大煤炭燃烧时的燃烧热，并形成清洁能源，使化学反应更容易进行 　　B．减少炉中杂质气体（如 SO2）等的形成　　 　　C．提高煤炭的热效率并减少 CO 的排放 　　D．使得燃料燃烧充分，从而提高燃料的利用率 13．下列说法不正确的是（ ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　A、化石燃料在任何条件下都能充分燃烧 　　B、化石燃料在燃烧过程中能产生污染环境的 CO、SO2 等有害气体 　　C、直接燃烧煤不如将煤进行深加工后燃烧效果好 　　D、固体煤变为气体燃烧后，燃烧效率将更低 二、实验题 某课外活动小组设计了如右图所示装置制取 O2，效果良好。请回答他们提出的下列问题： (1)分液漏斗内盛的液体是什么？锥形瓶内盛的固体是什么？ (2)发生反应的化学方程式 ________________________________________________________________________。 ________________________________________________________________________ (3)上述装置如何调控化学反应速率？请谈谈你的观点。8 【答案与解析】 一、选择题 1．D 【解析】SO2 和 18O2 反应生成的 SO3 中含有 18O，由于该反应为可逆反应，含有 18O 的 SO3 分解为含 18O 的 SO2 和 O2，因此，18O 存在于 O2、SO2 和 SO3 中。 2．D 【解析】氮气与氢气合成氨气的反应是可逆反应，N2 不可能完全转化为 NH3，A 错误；达到化学平衡时， N2、H2 和 NH3 的物质的量浓度不一定相等，B 错误；达到化学平衡时，正反应和逆反应的速率都不为零，但相 等，C 错误；达到化学平衡时，N2、H2 和 NH3 的物质的量浓度不再变化，符合化学平衡的特征，D 正确。 3．D 　　【解析】对于化学平衡状态的判断，一定要牢记本质与现象的关系，本质是化学反应正逆反应速率相等（同 种物质），现象是各种物质的含量不变（不是相等） 4．D 【解析】A 项表示的同一方向且反应速率也不等；B 项中的速率应是 v(正)(H2)＝2v(逆)(HI)时为平衡状态： 依据质量守恒定律，化学反应前后反应混合物总质量不论是否达到平衡状态，均保持不变，故 C 项不能说明是 平衡状态；D 项中体系的颜色不再发生变化，说明 I2 的量不变，此时为平衡状态。 5．C 6．B 【解析】本题考查化学平衡状态的判断，题目难度不大。要注意把握平衡状态的特征。A.反应前后气体的体积不 变，故混合气体的体积恒定不变不能作为判断是否达到化学平衡状态的依据，故 A 错误；B.HI 为无色气体，I2 为紫红色气体，故混合气体的颜色不再变化可作为判断是否达到化学平衡状态的依据，故 B 正确；C.反应前后气 体的物质的量和质量不变，混合气体的平均摩尔质量始终不变，不能作为达到化学平衡状态的依据；D.平衡时各 物质的含量取决于物质的起始物质的量和转化率，故 I2 在混合气体中的体积分数与 H2 在混合气体中的体积分数 相等不能作为判断是否达到化学平衡状态的依据，故 D 错误，故选 B。 7．B 【解析】根据可逆反应的特点，B 的物质的量大于 0.5mol，小于 1.5mol。 8．B 【解析】对于可逆反应来说，在一定条件下反应物不可能全部转化为产物，反应只能进行到一定程度(即达 到平衡时为一定条件下的最大程度)。在达到平衡的过程中，正反应速率不断减小，逆反应速率不断增大，最终 正、逆反应速率相等，即达到平衡，此时，反应物和生成物的浓度都不再随时间的延长而发生变化，但反应并没 有停止，正、逆反应都依然在进行着。 9．B 【解析】本题考查对可逆反应的特征的理解，解答时，应注意两点：①可逆反应既可向正反应方向进行，同 时又可向逆反应方向进行；②可逆反应不能进行到底，只能反应到一定程度达到平衡状态，平衡时各物质的物质 的量都大于零。 对于本题，若反应从题给某一时刻开始向正反应方向进行并达平衡，此时 SO3 的浓度应小于 0.40mol·L－1； 若反应从题给某一时刻开始向逆反应方向进行并达平衡，此时 SO2 的浓度应小于 0.4mol·L－1，O2 的浓度应小于 0.2mol·L－1；由反应的量的关系可知：c(SO2)＋c(SO3)＝0.4mol·L－1，因此两者不可能同时均为 0.15mol·L－1。 10．CD 【解析】　n(D)＝v(D)·V·t ＝0.1mol/(L·min)×4L×5min＝2mol， n(C)n(D)＝2mol2mol＝1∶1，所以 x＝2。 　　　　　3A(g)＋B(g)2C(g)＋2D(g) 起始量(mol)　　6　　　　5　　　0　　　09 转化量(mol)　　3　　　　1　　　2　　　2 平衡量(mol)　　3　　　　4　　　2　　　2 B 的转化率为： n(B 转化)/n(B 起始)＝1mol/5mol＝20%， 所以，P 平＝P 始。 关于平衡及反应速率的有关计算都可以考虑利用三步计算法，这种方法比较直观，可以直接从三步中找到起 始、转化、平衡时的量。 11．AB 【解析】若反应向右进行，则 X2、Y2、Z 三种物质的物质的量浓度范围依次是：0~0.1 mol·L －1 、0.2~0.3 mol·L－1、0.2~0.4 mol·L－1；若反应向左进行，则 X2、Y2、Z 三种物质的物质的量浓度范围依次是：0.1~0.2 mol·L－1、0.3~0.4 mol·L－1、0~0.2 mol·L－1。 12．CD 【解析】本题解答的关键是了解燃料充分燃烧的条件：一是燃烧时要有充足的空气；二是燃料与空气或氧气 要有足够大的接触面。由于大块的固体燃料与空气的接触面有限，燃烧往往不够充分，采用沸腾炉是将固体燃料 粉碎，以增大燃料与空气的接触面，提高燃烧效率，同时又能防止煤炭不充分燃烧生成的 CO 污染空气。 13．AD 二、实验题 (1)过氧化氢溶液，MnO2 固体 (2)2H2O2 2H2O＋O2↑ (3)通过旋转活塞，控制过氧化氢溶液的下滴速率，从而调控化学反应速率 MnO2