資源簡介

第六章　化學反應與能量
第二節　化學反應速率與限度
第2課時　化學反應的限度和化學反應條件的控制
本節是必修二第六章第二節第2課時化學反應的限度和化學反應條件的控制。《普通化學課程標準（2017版）》對這一節的內容要求如下：體會從限度和快慢兩個方面去認識和調控化學反應的重要性。了解可逆反應的含義，知道可逆反應在一定條件下能達到化學平衡狀態。知道化學反應平均速率的表示方法，通過實驗探究影響化學反應速率的因素。認識化學變化是有條件的，學習運用變量控制方法研究化學反應，了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用。其中學業要求為：能從化學反應限度和快慢的角度解釋生產、生活中簡單的化學現象。能描述化學平衡狀態，判斷化學反應是否達到平衡。能運用變量控制的方法探究化學反應速率的影響因素，能初步解釋化學實驗和化工生產中反應條件的選擇問題。
與化學反應速率相比，化學平衡的概念比較抽象，與學生生活經驗有一定的距離。要理解化學平衡的含義，先要理解化學反應存在限度。教學中可以充分利用好化學實驗這個重要的手段。如可以回憶氯氣與水反應的實驗，氯水仍然略顯黃綠色表明溶于水的氯氣沒有反應完，也就是說一定條件下氯氣與水反應存在限度。還可以通過Fe”與廠反應建立可逆反應存在限度的概念（具體操作見“欄目使用建議”）。有傳感器的學校還可以設計二氧化碳與水反應的實驗，幫助學生認識化學反應存在限度。具體做法如下：二氧化碳溶于水，水溶液可使紫色石蕊溶液變紅，說明二氧化碳可與水反應生成碳酸；再利用壓強傳感器測得容器中依然存在二氧化碳，說明二氧化碳沒有反應完全。利用傳感器，學生可以“看”到宏觀現象背后的微觀實質，在驚喜之余心悅誠服。
除了化學實驗，教師還可以利用工業生產中的真實數據作為證據。例如合成氨，當氮氣與氫氣體積比為1：3投料時，理論上可以完全反應，但是當各物質含量不再發生變化時，氨的含量遠遠達不到理論值，說明合成氨反應存在限度。“實驗是化學的最高法庭”，真實數據的獲得要建立在實踐基礎上，明顯的實驗現象和客觀真實的數據無疑具有很強的說服力。待學生認識到可逆反應存在限度之后，教師帶領學生應用剛剛學習的影響反應速率的因素，結合教材圖6-18分析化學平衡狀態的建立過程就顯得水到渠成，學生對平衡狀態特征的理解就會順利得多。這樣分步驟、有層次的教學方式符合學生的認知發展規律，可以有效突破化學平衡這個教學難點。
【學習目標】
1、了解可逆反應。
2、理解化學平衡狀態和學會平衡狀態的判斷。
3、了解控制反應條件在生產生活和科學研究中的作用。
【核心素養】
1、變化觀念與平衡思想：化學反應有一定限度，是可以調控的。
2、證據推理與模型認知：通過分析推理認識化學平衡的特征。
重點：可逆反應，化學平衡狀態的建立和判斷；
難點：化學反應平衡狀態的判斷。
多媒體。
【引入】
思考：我們知道在化學反應中，反應物之間是按照化學方程式中的系數比進行反應的，那么，在實際反應中，反應物能否按相應的計量關系完全轉化為生成物呢？
【過渡】
由上可知可逆反應進行得不完全，正、逆向反應同時同條件進行。化學反應物不可能全部轉化為生成物，存在一定的化學反應限度。其實任何化學反應的進程都有一定的限度（可逆性），反應物不可能完全參加了反應，有些能進行地較徹底（非可逆反應），有些反應是不徹底的，甚至是可逆的（可逆反應）。
【講解】
一、化學反應限度
1、可逆反應：
在相同條件下能向正反應方向進行同時又能向逆反應方向進行的反應稱為可逆反應。
表示方法：書寫可逆反應的化學方程式時不用“===”而用“”。
【思考與交流】
1、以下幾個反應是否是可逆反應？為什么？
2、14CO2+CCO，達到化學平衡后，平衡混合物中含14C 的粒子有 。
2、化學平衡狀態的建立
在一固定容積的密閉容器里，加 1 mol N2和3 mol H2(合適催化劑)，能發生什么反應？2 mol NH3？
【思考】
1、反應剛開始時， v正 、v逆 為何值？
2、隨著反應的進行，反應物和生成物的濃度如何改變？速率如何變化？
3、v正 遞減、v逆 遞增將導致二者之間出現什么的結果？
4、在v正 = v逆 后，v正會繼續減小嗎？v逆會繼續增大嗎？反應物和生成物的濃度呢？
【過渡】
由于v(正)= v(逆) ≠ 0，雖然正、逆反應都在進行，但各種物質的百分含量、濃度都不會發生變化。從外表上看，反應好象“停止”
可逆反應的這種特殊狀態就是我們今天要研究的化學平衡狀態
【講解】
3、化學平衡狀態的定義：
在一定條件下，可逆反應中，當正、逆兩個方向的反應速率相等時，反應物的濃度和生成物的濃度都不在改變。達到了一種表面靜止的狀態，我們稱之為“化學平衡狀態”。化學平衡狀態是可逆反應在一定條件下能達到的或完成的最大“限度”。
【思考】
(1) 達化學平衡的反應中，如何理解正逆反應速率相等？
(2) 當一個可逆反應達到平衡時，各物質的濃度保持不變，這時反應停止了嗎？
【講解】
4、化學平衡狀態的特征：
(1) 逆：討論的對象是可逆反應 (前提)
(2) 等：同一物質 v正 = v逆≠0 (實質)
(3) 動：化學平衡是一種動態平衡。化學反應達到平衡時，反應并沒有停止。
(4) 定：在平衡混合物中，各組成成分的含量保持不變 (標志)
(5) 變：化學平衡狀態是有條件的，當影響化學平衡的外界條件發生改變，化學平衡就會被破壞，在新的條件下建立新的化學平衡。
【科學史話】
高爐煉鐵的主要反應是：2C(焦炭)＋O2(空氣) =2CO(放出熱量)，Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。
煉制1噸生鐵所需焦炭的實際用量遠高于按照化學方程式計算所需的量，且從高爐中出來的氣體中含有沒利用的CO氣體。開始，煉鐵工程師們認為是CO與鐵礦石接觸不充分之故，于是設法增加高爐的高度，然而高爐增高后，高爐尾氣中的CO比例竟沒有改變，這是什么原因呢？
【課堂練習】
1、對于可逆反應M＋NQ 達到平衡時，下列說法正確的是( )
A. M、N、Q三種物質的濃度一定相等
B. M、N全部變成了Q
C. 反應物和生成物的濃度都保持不變
D. 反應已經停止
2、在一定溫度下，可逆反應A(g)+3B (g)2C(g) 達到平衡狀態的標志是( )
A. C的生成速率和C的分解速率相等.
B. 單位時間內生成1molA同時生成了3molB.
C. A、B、C濃度不再變化.
D. A、B、C的分子個數之比為1：3：2
【講解】
5、化學平衡狀態的判斷
以mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g) 為例
【課堂練習】
1、以3H2+N22NH3為列分析,判斷下列情形是否達到平衡狀態
(1) 若有1mol N2消耗，則有1mol N2生成。
(2) 若有1mol N2消耗，則有3mol H2生成。
(3) 若有1mol N2消耗，則有2mol NH3生成。
(4) 若有1mol N≡N鍵斷裂，則有6mol N﹣H鍵斷裂。
(5) 若有1mol N≡N鍵斷裂，則有6mol N﹣H鍵生成。
(6) 若反應體系中N2、H2、NH3的百分含量不變。
(7) 反應體系中平均相對分子質量一定。
(8) 若體系的體積一定，氣體的密度一定。
(9) 若體系的體積一定，氣體的壓強一定。
2、可逆反應2NO2(紅棕色)2NO(無色)＋O2(無色)在密閉容器中反應，達到化學平衡狀態的是
A.單位時間內生成n mol O2同時生成2n mol NO2
B.單位時間內生成n mol O2同時生成2n mol NO
C.c(NO2):c(NO):c(CO2)= 2: 2: 1
D.混合氣體的顏色不再改變
F.混合氣體的密度不再改變
E.混合氣體的平均相對分子質量不再改變
H.混合氣體個組分的 體積分數不再改變
3、若換成H2(g)＋I2(g)2HI(g)呢？
4、 3molA和2.5molB混合于2L的密閉容器中發生反應：3A(g)+B(g)aC(g)+2D(g)，
5min后達到平衡，已知v(c)=0.05 mol /(min·L)，生成D為1 mol。下列選項正確的是（ ）
A. v (A)=0.15 mol/(min·L) B. a=2
C.平衡時B的轉化率為20% D.平衡時壓強為起始時的0.8倍
【總結】
化學平衡狀態的判斷依據
(1)直接判斷依據
達到平衡狀態
(2)間接判斷依據
以mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)為例
類型 判斷依據 平衡狀態
混合物體系中各成分的含量 ①各物質的物質的量或各物質的物質的量分數一定 平衡
②各物質的質量或各物質的質量分數一定 平衡
正、逆反應速率的關系 ①在單位時間內消耗了m mol A同時生成m mol A，即v正＝v逆 平衡
②在單位時間內消耗了n mol B同時生成p mol C，則v正不一定等于v逆 不一定
③在單位時間內生成n mol B，同時消耗q mol D，因二者變化均表示v逆，所以v正不一定等于v逆 不一定
溫度 體系溫度一定(其他不變) 平衡
顏色 反應體系內有色物質的顏色一定 平衡
【過渡】
在生產和生活中，人們希望促進有利的化學反應（提高反應速率，提高反應物的轉化率即原料的利用率），抑制有害的化學反應（降低反應速率，控制副反應的發生，減少甚至消除有害物質的產生），這就需要進行化學反應條件的控制。
【講解】
二、化學反應條件的控制
化工生產中，為了提高反應進行的程度而調控反應條件時，需要考慮控制反應條件的成本和實際可能性。
合成氨的生產在溫度較低時，氨的產率較高；壓強越大，氨的產率越高。但溫度低，反應速率小，需要很長時間才能達到化學平衡，生產成本高，工業上通常選擇在400~500℃下進行。而壓強越大，對動力和生產設備的要求也越高，合成氨廠隨著生產規模和設備條件的不同，采用的壓強通常為10~30MPa。
【思考與討論】
為提高燃料的燃燒效率，應如何調控燃燒反應的條件？（提示：可以從以下幾方面考慮，如燃料的狀態、空氣用量、爐膛材料、煙道廢氣中熱能的利用，等等。）
【總結】
【課堂練習】
1.下列關于化學反應限度的說法中正確的是（ ）
A.一個可逆反應達到的平衡狀態就是這個反應在該條件下所能達到的最大限度
B.當一個可逆反應達到平衡狀態時，正向反應速率和逆向反應速率相等且等于零
C.平衡狀態時，各物質的濃度保持相等
D.化學反應的限度不可以通過改變條件而改變
2.在體積不變的密閉容器中發生反應，下列敘述表示該反應處于化學平衡狀態的是( )
A.N2、H2、NH3的濃度之比為1∶3∶2
B.混合氣體的密度不隨時間變化
C.當有1 mol N≡N鍵斷裂時，有6 mol N—H鍵斷裂
D.單位時間內生成2a mol NH3，同時消耗a mol N2
3.化學反應限度的調控在工業生產和環保技術等方面得到了廣泛的應用，如果設法提高化學反應的限度，下面說法中錯誤的是( )
A.能夠節約原料和能源
B.能夠提高產品的產量
C.能夠提高經濟效益
D.能夠提高化學反應速率
4.下列措施可以提高燃料燃燒效率的是_________(填序號)。
①提高燃料的著火點　 ②降低燃料的著火點
③將固體燃料粉碎　 ④將液體燃料霧化處理
⑤將煤進行氣化處理　⑥通入適當過量的空氣
5.下圖所示為工業合成氨的流程圖。下列有關生產條件的調控作用分析正確的是_______(填序號)。
(1)步驟①中“凈化”可以防止催化劑中毒
(2)步驟②中“加壓”可以加快反應速率
(3)步驟②采用的壓強是2×107 Pa，因為在該壓強下鐵觸媒的活性最大
(4)步驟③，選擇高效催化劑是合成氨反應的重要條件
(5)目前，步驟③一般選擇控制反應溫度為700 ℃左右
(6)步驟④⑤有利于提高原料的利用率，能節約生產成本
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