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第六章 化學反應與能量
第二節(jié) 化學反應的速率與限度
6.2.1 化學反應的限度 化學反應條件的控制
1、認識可逆反應存在限度；
2、理解化學平衡狀態(tài)的特征；判斷反應是否達到平衡；
3、認識控制反應條件在生產(chǎn)和科學研究中的作用。
化學平衡狀態(tài)的特征
化學平衡狀態(tài)的特征
煉鐵高爐尾氣之謎
開始，煉鐵工程師們認為是CO與鐵礦石接觸不充分造成的，于是設法增加高爐的高度。然而，令人吃驚的是，高爐增高后，高爐尾氣中的CO比例竟然沒有改變。
煉制1 t 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所需用量，從高爐爐頂出來的氣體中總是含有未利用的CO氣體。
高爐煉鐵原理：
C+O2 CO2
點燃
C+CO2 2CO
高溫
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
高溫
(放出熱量)
(吸收熱量)
高爐煉鐵原理：
為什么增加煉鐵高爐的高度不能改變高爐尾氣中的CO比例呢？
C+O2 CO2
點燃
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
高溫
可逆反應
直到19世紀下半葉，法國化學家勒夏特列經(jīng)過深入的研究，才將這一謎底揭開。
研究證明，
在高爐中Fe2O3與CO反應也不能全部轉(zhuǎn)化為Fe和CO2
C+CO2 2CO
高溫
C+CO2 2CO
高溫
一、化學反應的限度
1.可逆反應
在相同條件下，能既能向正反應方向進行，同時又能向逆反應方向進行的化學反應稱為可逆反應。
特點
雙向性
雙同性
共存性
正、逆反應是在同一條件下同時進行的
反應物和生成物同時存在，反應物轉(zhuǎn)化率小于100%
反應物
生成物
正向反應
逆向反應
【方程式特征】用可逆號“ ” 表示。可逆號上下寫反應條件。
定義
正反應：反應物→生成物
逆反應：生成物→反應物
N2+3H2 2NH3
催化劑
高溫高壓
2SO2+O2 2SO3
催化劑
高溫
√
√
×
1. 以下幾個反應是否是可逆反應？為什么？
2. 14CO2 + C CO，達到化學平衡后，平衡混合物中含14C 的粒子有 。
Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
放電
充電
×
2H2O
H2↑+O2 ↑
電解
點燃
14CO2、14C、14CO
一、化學反應的限度
2.化學反應平衡狀態(tài)的建立
【思考與交流】
（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(xiàn)什么的結(jié)果？
（4）在v正 = v逆 后，v正會繼續(xù)減小嗎？v逆 會繼續(xù)增大嗎？反應物和生成物的濃度呢？
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(fā)生什么反應？生成2 mol NH3？
N2+3H2 2NH3
催化劑
高溫高壓
一、化學反應的限度
2.化學反應平衡狀態(tài)的建立
反應速率
時間（t）
0
動態(tài)平衡
v(正)
=
v(正)
v(逆)
≠0
濃度
時間（t）
0
c(H2)
c(N2)
c(NH3)
c(H2)
c(N2)
c(NH3)
表面靜止的狀態(tài)
v(逆)
①該反應可分為三個階段：
②速率—時間圖像：
開始時：c(反應物)最大，v(正)最大；
c(反應物)=0，v(逆)最小
進行中：c(反應物)逐漸減小，v(正)逐漸減小；
c(生成物)逐漸增大，v(逆)逐漸增大；
一段時間后：v(正)=v(逆)，c(反應物)、c(生成物)保持不變
v正 = v逆 ≠ 0
一、化學反應的限度
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(tài)，我們稱為“化學平衡狀態(tài)”
化學平衡狀態(tài)是可逆反應在一定條件下能達到的或完成的最大“限度”
【思考與交流】
(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(zhì)的濃度保持不變，這時反應停止了嗎？
可逆反應中 v正 = v逆 是針對同一物質(zhì)而言的
化學反應限度決定了反應物在該條件下的最大轉(zhuǎn)化率
達到動態(tài)平衡, 此時反應仍在繼續(xù)
3.化學反應平衡狀態(tài)
一、化學反應的限度
4.化學平衡狀態(tài)的特征
逆、等、動、定、變
(1) 逆：討論的對象是可逆反應 (前提)
(2) 等：同一物質(zhì) v正 = v逆≠0 (實質(zhì))
(3) 動：化學平衡是一種動態(tài)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)（不是相等）
(5) 變：化學平衡狀態(tài)是有條件的，當影響化學平衡的外界條件發(fā)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。
一、化學反應的限度
4.化學平衡狀態(tài)的判斷
直接依據(jù)：速率相等 v正=v逆≠0
間接依據(jù)：變量不變
????A:????B:????C:????D = a : b : c : d 不一定平衡
?
直接依據(jù)
正逆反應
速率相等
濃度不再改變
不同物質(zhì)：速率之比＝化學計量數(shù)之比，一定平衡
但必須是不同方向的速率 ????????(A)正＝????????(B)逆
?
各組分的濃度不再變化一定平衡
各組分的n/m/V/n%、m%、V%不再變化 一定平衡
同一物質(zhì)：生成速率＝消耗速率一定平衡，????(A)正＝????(A)逆
?
不是相等，
也不是成一定的比值
相同t內(nèi)，生成 2mol SO3 同時消耗 1mol O2
相同t內(nèi)，生成 2mol SO2 同時消耗 2mol SO2
1mol N≡N鍵斷裂的同時，有6mol N－H鍵斷裂
1mol N≡N鍵斷裂的同時，有6mol N－H鍵形成
直接依據(jù)：
① 由化學平衡本質(zhì) v正 = v逆 ，即 v生成 = v消耗 ，方向相反
2SO2 + O2 2SO3
催化劑
X
相同物質(zhì)看正逆、不同物質(zhì)成比例
N2+3H2 2NH3
X
N2的消耗速率與N2的生成速率
N2的消耗速率與NH3的 速率之比等于 ，
H2的生成速率與NH3的 速率之比等于 。
相等
消耗
1:2
3:2
生成
達到平衡的標志是:
v(H2)： v(N2) =3:1
可否判斷反應達平衡？
不可以！！！因為任何時刻速率比都等于系數(shù)比
一、化學反應的限度
間接依據(jù)---變量不變
(1)選變量:選定反應中的變量,即隨反應進行而變化的量。
如①氣體的顏色;
②對于氣體體積有變化的反應來說,恒壓反應時的體積，恒容反應時的壓強;
③對于反應體系中全部為氣體,且氣體物質(zhì)的量有變化的反應來說,混合氣體的平均相對分子質(zhì)量;
④對于反應體系中不都是氣體的反應來說,恒容時混合氣體的密度等。
(2)定平衡:變量不再變化時,反應達到平衡狀態(tài)。
一、化學反應的限度
p不變
M不變
ρ不變
p不變
M不變
ρ不變
H2(g)+ I2(g) 2HI(g)
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
高溫、高壓
催化劑
Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g)
高溫
C(s)+CO2(g) 2CO(g)
高溫
不一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
一定平衡
一定平衡
不一定平衡
不一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
一定平衡
在恒容的容器內(nèi)發(fā)生下列四個反應，當達到下列條件時是否一定達到平衡狀態(tài)？
① ⑤ ⑥ ⑧
在一定溫度下，在恒容的容器中充入2 mol SO2和1 mol O2發(fā)生反應：
2SO2＋O2 2SO3。一段時間后，該反應達到化學平衡，
下列能說明達到化學平衡狀態(tài)的是_________________ (填序號)。
①v正(SO2)＝2v逆(O2) ②v(SO2)＝v(SO3)
③單位時間內(nèi)消耗a mol SO2，同時生成a mol SO3
④SO2、O2和SO3的濃度之比為2∶1∶2
⑤混合氣體的總的物質(zhì)的量不再改變
⑥混合氣體的壓強不再改變 ⑦混合氣體的密度不再改變
⑧混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變
二、化學反應條件的控制
在生產(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)生，減少甚至消除有害物質(zhì)的產(chǎn)生），這就需要進行化學反應條件的控制。
二、化學反應條件的控制
在化工生產(chǎn)中，為了提高反應進行的程度而調(diào)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。
催化劑
高溫、高壓
N2 + 3H2 2NH3
合成氨的生產(chǎn)在溫度較低時，氨的產(chǎn)率較高；壓強越大，氨的產(chǎn)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(chǎn)成本高，工業(yè)上通常選擇在400~500℃下進行。
而壓強越大，對動力和生產(chǎn)設備的要求也越高，合成氨廠隨著生產(chǎn)規(guī)模和設備條件的不同，采用的壓強通常為10~30MPa。
二、化學反應條件的控制
（1）關(guān)于人類需要或?qū)θ祟愑欣幕瘜W反應
升高反應溫度、使用催化劑等增大反應速率，以提高生產(chǎn)或工作效率；
增大廉價反應物的濃度、或增大氣體反應物的壓強，以提高原料的利用率或轉(zhuǎn)化率。
（2）關(guān)于有害或人類不需要的化學反應
降低反應溫度、使用負催化劑等，降低反應速率；
隔離會引發(fā)反應的物質(zhì)，如在金屬表面形成保護層、森林火災時制造隔離帶等。
（3）關(guān)于特定環(huán)境或特殊需要的化學反應
對反應條件進行特殊的控制，如定向爆破、火箭發(fā)射等。
化學反應條件的控制
為提高燃料的燃燒效率，應如何調(diào)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(tài)、空氣用量、爐膛材料、煙道廢氣中熱能的利用，等等。）
(1)燃料燃燒的條件
①燃料與空氣接觸；
②溫度達到燃料的著火點。
(2)燃料充分燃燒的條件
①要有足夠的空氣或氧氣(助燃劑)；
②燃料與空氣或氧氣要有足夠大的接觸面積。
(3)燃料充分燃燒的意義
①使有限的能量發(fā)揮最大的作用，節(jié)約能源；
②降低污染程度。
延時符
化學反
應的限度
可逆反應在一定條件下達到的一種特殊的化學平衡狀態(tài)，即為該反應在該條件下進行的限度。
目的：促進有利的化學反應、抑制有害的化學反應
措施：改變化學反應速率、改變可逆反應進行的限度
定義
可逆反應
平衡狀態(tài)
定義：在同一條件下既可以向正反應方向進行，同時又可以向逆反應方向進行的化學反應。
特點：雙向性、雙同性、共存性。
條件控制
直接判據(jù)：①正逆反應速率相等；②各物質(zhì)濃度不變。
間接判據(jù)：（變量不變）百分含量、物質(zhì)的量、壓強、平均相對分子質(zhì)量、密度、顏色不隨時間改變。
定義：一定條件下，可逆反應進行到一定程度時，正反應速率和逆反應速率相等，反應物和生成物濃度不再改變的狀態(tài)
特點：逆、動、等、定、變。
平衡 判斷
1．下列反應中可判斷為可逆反應的是（ ）
A.氫氣在氯氣中燃燒生成氯化氫，氯化氫受熱分解生成氫氣和氯氣
B.氮氣與氫氣在高溫、高壓、催化劑作用下可以生成氨氣，同時氨
氣又分解為氮氣和氫氣
C.單質(zhì)溴可以置換出碘，氯氣又可以置換出溴
D.氯氣和水反應生成鹽酸和次氯酸，次氯酸在光照條件下可分解為
鹽酸和氧氣
B
2．下列關(guān)于化學反應限度的說法正確的是（ ）
A.當一個可逆反應達到平衡狀態(tài)時，就是這個反應在該條件下所能達
到的限度
B.可以通過延長化學反應時間改變化學反應限度
C.平衡狀態(tài)是一種靜止的狀態(tài)，因為反應物和生成物的濃度不再改變
D.化學反應的限度不可以通過改變條件而發(fā)生改變
A
A
3．在一定條件下發(fā)生反應 2SO3(g) 2SO2(g)＋O2(g)，將2 mol SO3
通入2 L容積恒定的密閉容器甲中，若維持容器內(nèi)溫度不變，5 min末
測得SO3的物質(zhì)的量為0.8 mol。則下列說法正確的是( )
A．0~5min，SO2的生成速率v(SO2)=0.12mol·L－1·min－1
B．若起始時充入3 mol SO3，起始時SO3分解速率不變
C．若某時刻消耗了1 molSO3同時生成了0.5molO2，則表明該反應
達到了平衡狀態(tài)
D．達到平衡時，SO2和SO3的濃度相等
4．將煤塊粉碎、經(jīng)脫硫處理、在適當過量的空氣中燃燒，這樣處理
的目的是(　　)
①使煤充分燃燒，提高煤的利用率
②減少SO2的產(chǎn)生，避免造成“酸雨”；
③減少有毒CO的產(chǎn)生，避免污染空氣；
④減少CO2的產(chǎn)生，避免“溫室效應”
A．①②③ B．②③④ C．①③④ D．①②③④
A
化學反應速率與限度的圖像分析
化學反應速率與化學反應限度問題常以圖像題的形式出現(xiàn)，在平面直角坐標系中，可能出現(xiàn)反應物的物質(zhì)的量、濃度、壓強、時間等因素。這類問題可按照“一看、二想、三判斷”這三步來分析解答。
(1)“一看”——看圖像
①看面，弄清楚橫、縱坐標所表示的含義。
②看線，弄清楚線的走向和變化趨勢。
③看點，弄清楚曲線上點的含義，特別是曲線折點、交點、最高點、最低點等。
④看輔助線，做橫軸或縱軸的垂直線(如等溫線、等壓線、平衡線等)。
⑤看量的變化，弄清楚是物質(zhì)的量的變化、濃度的變化還是轉(zhuǎn)化率的變化。
化學反應速率與限度的圖像分析
(2)“二想”——想規(guī)律
如各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化量之比與化學計量數(shù)之比的關(guān)系，用各物質(zhì)表示的化學反應速率之比與化學計量數(shù)之比的關(guān)系，外界條件的改變對化學反應速率的影響規(guī)律以及反應達到平衡時外界條件改變對正、逆反應速率的影響規(guī)律等。
(3)“三判斷”
利用有關(guān)規(guī)律，結(jié)合圖像，通過對比分析，作出正確判斷。
在溫度和容積不變的密閉容器中，A氣體與B氣體反應生成C氣體。反應過程中，反應物與生成物的濃度隨時間變化的曲線如圖所示，則下列敘述正確的是
A.該反應的化學方程式為A(g)＋3B(g) 2C(g)
B.到達t1 s時，該反應停止
C.(t1＋10)s時，升高溫度，正、逆反應速率均增大
D.若該反應在絕熱容器中進行，也在t1 s時達到平衡
√

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