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第六章 化學反應與能量
第二節 化學反應的速率與限度
課時2 化學反應的限度
課堂導入
關于高爐煉鐵大家一定不會陌生，其中發生的主要反應為：Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
產生CO的反應為：
C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO
生產中煉制生鐵所需要的焦炭的實際用量，遠高于按照化學方程式計算的所需量，而且從高爐爐頂出來的氣體中總是含有沒有利用的CO。
開始，煉鐵工程師們認為是CO與鐵礦石沒有充分接觸導致的，于是設法增加了高爐的高度。然而，高爐增高后，尾氣中CO的比例還是沒有改變，這便成了煉鐵技術中的科學懸念，人們一直在探究其中的原因。
直到19世紀下半葉，法國化學家勒夏特列經過深入的研究，才將這一謎底解開，原來是因為C和CO2的反應是一個可逆反應，并且自下而上的發生在高爐中有焦炭的地方。不僅如此，高爐中Fe2O3和CO 的反應也并不能完全轉化。
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化學反應的限度
可逆反應：在同一條件下，正反應方向和逆反應方向均能進行的化學反應，書寫時應使用 。
化學反應是按照化學方程式中的計量關系進行的，我們正是據此進行有關化學方程式的計算。而剛才的故事告訴我們，一個化學反應在實際進行時(如化學實驗、化工生產等)，反應物不一定會按化學方程式中的計量關系完全轉變成產物，其原因是很多反應屬于可逆反應。目前來說，我們接觸過的可逆反應有哪些？
Cl2 + H2O HCl + HClO
SO2 + H2O H2SO3
2SO2 + O2 2SO3
2N2 + 3H2 2NH3
NH3 + H2O NH3·H2O
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根據表中數據，該反應在不同時段的反應速率有什么特點，50分鐘后反應是否已經停止？
化學反應的限度
時間(min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80
c(SO2) 10 6 3 2 1.2 1 1 1 1
c(O2) 5 3 1.5 1 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5
c(SO3) 0 4 7 8 8.8 9 9 9 9
在某剛性密閉容器中發生反應：2SO2 + O2 2SO3，各物質濃度隨反應時間變化如下表：
對于正反應來說，反應剛開始時反應物濃度最大，反應速率最快，隨反應進行逐漸下降；
對于逆反應來說，反應剛開始時生成物濃度為零，反應速率為零，隨反應進行逐漸上升。
50分鐘后，反應物和生成物均有剩余，反應不會停止，但正、逆反應速率會相等。
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如何用圖像描述反應速率的變化？
化學反應的限度
反應開始時 反應進行時 反應50min后
宏觀 物料角度 c(反應物) > 0 c(反應物) 減小 c(反應物) 不變
c(生成物) = 0 c(生成物) 增大 c(生成物) 不變
微觀 速率角度 v正 > 0 v正 減小 v正 不變 v正 = v逆 ≠ 0
v逆 = 0 v逆 增大 v逆不變
反應開始時 反應進行時 反應50min后
宏觀 物料角度
微觀 速率角度
若是用各組分物質的量濃度圖像表示，應該如何繪制呢？
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在一定時間后，反應進行到了一定程度，正反應速率與逆反應速率相等，反應物的濃度和生成物的濃度都不再改變，達到了一種表面靜止的狀態，我們稱之為化學平衡狀態，簡稱為化學平衡。
化學反應的限度
化學平衡：在一定條件下的可逆反應中，當正反應速率和逆反應速率相等，反應混合物中各組分的濃度保持不變的狀態。
適用對象：可逆反應；
內在本質：v(正) = v(逆) ≠ 0；
外在表現：反應體系混合物中各組分的濃度保持不變。
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化學反應的限度
化學平衡狀態是可逆反應在一定條件下所能達到或完成的最大限度，即該化學反應進行的限度，化學反應的限度決定了反應物在該條件下轉化為生成物的最大轉化率。
轉化率：已被轉化的反應物的物質的量與其初始物質的量之比。
任何可逆反應在給定條件下的進程都有一定的限度，只不過不同反應的限度不同。而改變反應條件可以在一定程度上改變一個化學反應的限度，即改變該反應的化學平衡狀態。
你能總結得出可逆反應達到化學平衡狀態時具有哪些特征嗎？
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化學平衡狀態的特征
化學反應的限度
那么如何判斷一個可逆反應是否達到了化學平衡狀態呢？
等： 正反應速率和逆反應速率相等；
定：反應體系混合物中各組分的濃度保持不變。
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在判斷可逆反應是否達到化學平衡狀態時，可以從“等”和“定”兩個角度進行分析。
化學平衡的判斷
“等”指的是正逆反應速率相等，即所有能代表正逆反應速率相等的條件都可以作為判斷依據，如反應速率的數值、某時間段內的物質的量變化量、成鍵與斷鍵的數量，但一定要牢記“有正有逆，符合比例”的關系原則。
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對于反應N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)，下列哪些條件可以說明反應達到了化學平衡狀態？
化學反應的限度
生成1mol N2的同時，消耗了2mol NH3
生成1mol N2的同時，消耗了1mol N2
v(N2) : v(H2) : v(NH3) = 1 : 3 : 2
2v正(H2) = 3v正(NH3)
1mol N ≡ N斷裂的同時，有6mol N—H斷裂
×
√
×
×
√
有正有逆
符合比例
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“定”指的是各組分濃度不再改變，即“變量不變”的原則，需要注意的是，原本就不改變的物理量不可以作為判斷平衡的依據，另外各組分濃度不變也需要和各組分濃度相等、成一定比例作好區分。
“定”的考核形式多種多樣，可以從各組分的物質的量或物質的量分數、各組分質量或質量分數、氣體體積或體積分數、反應體系的顏色、甚至是平均相對分子質量等方面判斷，但不論哪個方面，都應該從“變量不變”的角度去判斷。
化學反應的限度
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例如對于反應2NO2(紅棕色) N2O4(無色)，下列哪些條件可以判斷反應達到平衡狀態？
化學反應的限度
容器內氮氣的物質的量不再改變
容器內顏色不再改變
恒容條件下，容器內壓強不再改變
恒容條件下，容器內氣體密度不再改變
恒容條件下，容器內平均相對分子質量不再改變
恒壓條件下，容器內平均相對分子質量不再改變
√
×
√
√
√
√
平均相對分子質量:
m總
M = ———
n總
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化學反應的限度
課堂學習
在生產和生活中，人們希望促進有利的化學反應，如提高反應速率、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，如降低反應速率、控制副反應的發生、減少甚至消除有害物質的產生，這些都需要進行化學反應條件的控制。
化學反應條件的控制
在實際的化工生產中調控反應條件時，需要考慮控制反應條件的成本和實際可能性。
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例如工業合成氨的反應 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ，我們需要如何控制反應的條件？
化學反應條件的控制
因此，工業合成氨的條件一般溫度選擇400-500℃，壓強選擇10-30MPa，催化劑選用鐵觸媒。
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正誤判斷
1. 可逆反應達到平衡狀態時，各組分濃度相等。
4. 可逆反應建立了平衡狀態之后，化學反應便會停止。
2. 與外界沒有熱量交換時，反應體系溫度不變即平衡。
3. 一定條件下，可以延長反應時間增大反應物轉化率。
×
√
×
×
課堂鞏固
下列說法中可以證明2HI(g) H2(g) + I2(g)(紫色)已達到平衡狀態的是___________。
① 單位時間內生成 n mol H2 的同時生成 n mol HI
② 一個H-H鍵斷裂的同時有兩個H-I鍵斷裂
③ 反應速率 v(H2) = v(I2) 時
④ c(HI) : c(H2) : c(I2) = 2 : 1 : 1時
⑤ 溫度和體積一定，容器內壓強不再變化時
⑥ 溫度和體積一定，混合氣體的顏色不再變化時
⑦ 條件一定，混合氣體的平均相對分子質量不再變化時
⑧ 溫度和壓強一定，混合氣體的密度不再變化時
② ⑥
課堂小結
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