第2课时 化学反应的限度 化学反应条件的控制
思维激活 20世纪初最惊心动魄的化学反应莫过于合成氨，当时合成氨反应对世界的震撼力不亚于现今的“超导材料”和“碳－60”。人们将合成氨反应的研究称为“世界第一反应”。快速合成氨的同时如何尽可能多地生产出氨气呢？你了解反应限度吗？
自学导引 一、可逆反应与化学平衡
1．可逆反应指在同一条件下向正反应和逆反应方向均能进行的化学反应。
思考题1 2H2＋O2=====2H2O与2H2O=====2H2↑＋O2↑；二次电池的放电与充电，它们属于可逆反应吗？
答案 因两个过程的反应条件不同，故均不是可逆反应。
2．一个可逆反应在开始进行时，正反应速率大于逆反应速率，随着反应的进行，正反应速率逐渐减慢，逆反应速率逐渐加快，当反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度和生成物的浓度不再改变，达到一种表面静止的状态，我们称之为“化学平衡状态”，简称化学平衡。
思考题2 到达平衡状态后，各物质的浓度保持不变，反应是不是停止了？ 答案 反应没有停止，化学平衡是一种动态平衡，任何一种物质的生成速率等于其分解速率，即正反应速率等于逆反应速率。
二、化学反应的限度 1．化学平衡状态是在给定条件下化学反应所能达到的最大程度，称为化学反应的限度。化学反应的限度决定了反应物在该条件下的最大转化率。化学反应的限度首先决定于反应物的化学性质，其次受温度、浓度、压强等条件的影响。
思考题3 对于某一化学反应，化学反应速率越大，它所进行的程度也越大吗？
答案 化学反应速率大，反应进行的程度不一定大。对于可逆反应，正反应速率大，逆反应速率也大，反应进行的程度就可能较小。
2．提高燃料利用率的措施有以下两个方面：一是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充分地接触，且空气要适当过量；二是尽可能地利用燃料燃烧所放出的热能，提高热能的利用率。提高燃料的燃烧效率实质上是多方面控制燃烧反应的条件，意义在于节约能源、节省资源、减少污染。
点燃
电解
名师解惑 一、可逆反应的特点
1．绝大多数化学反应都有一定的可逆性，但有些反应可逆性小，可视为“不可逆”。 2．向相反的方向进行的两个化学反应，在相同条件下同时进行、共存，两个化学反应构成一个对立的统一体。在不同条件下能向两个方向进行的反应不能称作可逆反应。例如CO2和H2O在植物体中通过光合作用合成糖与糖在人体内氧化生成CO2和H2O就不是可逆反应。
3．书写可逆反应的化学方程式时，应用“”，“”两边的物质互为反应物、生成物。通常将从左向右的反应称为正反应，从右向左的反应称为逆反应。
4．在反应体系中，与化学反应有关的各种物质共存，即反应物不能全部转化为生成物，
生成物也不能全部转化为反应物。
二、化学平衡的建立
以可逆反应：mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)为例(反应过程中的热量变化忽略不计)，若开始只有反应物，没有生成物，此时A和B的浓度最大，因而正反应速率最大；而C和D起始浓度为零，因而逆反应速率为零。随着反应的进行，反应物不断减少，生成物不断增多，v(正)越来越小，v(逆)越来越大，反应进行到某一时刻，v(正)＝v(逆)，这时就达到了化学平衡。
同理，若开始只有生成物，没有反应物，一段时间后同样可以达到平衡，如图所示：
[特别提醒]
一定条件下进行的可逆反应不能进行到底，只能进行到一定程度后达到化学平衡状态，平衡时各物质的物质的量都大于零。
三、化学平衡状态及特征
化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应的速率相等，混合物中各组分的浓度保持不变的状态。该状态具有“逆”、“等”、“动”、“定”、“变”等特征。
“逆”：化学平衡研究的对象是可逆反应。 “等”：平衡时，v(正)＝v(逆)＞0。
“动”：平衡时，反应仍在不断地进行，是动态平衡。
“定”：平衡时，反应混合物中各组分的浓度保持一定，百分含量保持一定，但不一定相等。
“变”：外界条件改变时，平衡可能被破坏，并在新的条件下建立新的化学平衡。 [特别提醒]
①前提只能是“一定条件”、只能是“可逆反应”，所以首先要看清是否为可逆反应。 ②实质是“v(正)＝v(逆)≠0”。
③标志是“混合物中各组分的浓度保持不变”。 四、判断可逆反应达到限度的标志
可逆反应达到限度时，v(正)＝v(逆)＞0，这是化学平衡的实质，也是可逆反应达到平衡状态的判断依据，为此可有如下的判断方法[以xA(g)＋yB(g)zC(g)为例]：
1．直接判断法
(1)v(正)＝v(逆)＞0，即同一物质的消耗速率与生成速率相等。 (2)各组分的浓度保持不变。
(3)对同一物质而言，断裂与形成化学键的物质的量相等。 (4)任一物质的物质的量、质量保持不变。 2．间接判断法
(1)各组分的百分含量保持不变。
(2)混合气体的总压强、总体积、总物质的量、平均相对分子质量、颜色等不随时间的延长而改变(x＋y綒z)。
[特别提醒]
以下几种情况不能作为可逆反应达到化学平衡状态的标志：
①反应组分的物质的量之比等于化学方程式中相应物质的化学计量数之比。
②恒温恒容下体积不变的反应，体系的压强或总物质的量不再随时间而变化，如2HI(g)I2(g)＋H2(g)。
③全是气体参加的体积不变的反应，体系的平均相对分子质量不再随时间而变化，如2HI(g)I2(g)＋H2(g)。
④全是气体参加的反应，恒容条件下体系的密度保持不变。
五、有关反应限度的计算方法 1．模式
mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g) n始/mol a b 0 0 n转/mol mx nx px qx
n平/mol a－mx b－nx px qx
对于反应物：n平＝n始－n转，对于生成物：n平＝n始＋n转。 2．基本步骤
(1)确定反应物或生成物的起始加入量。 (2)确定反应过程中各物质的变化量。 (3)确定平衡时各物质的平衡量。
(4)依据题干中的条件建立等式关系进行解答。 3．关于反应物转化率的计算
A的转化量
A的转化率＝×100%(计算式中A的量可以指反应物的物质的量、质量、浓
A的起始量
度、体积等)
4．关于某组分体积分数(反应物、生成物均为气体)的计算
体系中A的物质的量
A的体积分数＝×100%
体系中总的物质的量
[特别提醒]
若几种反应物的起始物质的量之比等于化学方程式中的化学计量数之比时，则各反应物的转化率相等。
典例导析 知识点1：化学平衡的建立 例1 当可逆反应：2SO2＋O22SO3达到平衡后，通入18O2，再达到平衡时，18O存在于( )
A．SO3和O2中 B．SO2和SO3中 C．SO2、O2和SO3中 D．SO2和O2中
解析 本题考查了化学平衡的特征，化学平衡是个动态平衡。SO2和18O2反应生成了S18O3，S18O3又分解生成S18O2，故平衡混合物中含18O的粒子有S18O2、18O2和S18O3。
答案 C
跟踪练习1 把HI气体充入一密闭容器中，在一定条件下发生反应：2HI(g)H2(g)＋I2(g)，在反应达到平衡状态之前的过程中，下列说法中正确的是( )
A．HI的生成速率等于其分解速率 B．HI的生成速率小于其分解速率 C．HI的生成速率大于其分解速率
D．无法判断HI的生成速率和分解速率的相对大小 答案 B
知识点2：化学反应限度的判断
例2 对于容积固定的反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)(正反应放热)，达到平衡的标志有______。
A．生成NH3的速率与NH3的分解速率相等 B．断开一个NN键的同时有6个N—H键生成 C．N2、H2、NH3的百分含量不再变化 D．总压强不变
E．N2、H2、NH3的分子数之比为1∶3∶2 F．N2、H2、NH3的浓度相等
G．N2、H2不再起反应
1
H．v(N2)＝v(H2)
3
I．混合气体的密度不变
J．混合气体的平均相对分子质量不变
K．正反应放出的热量等于逆反应吸收的热量 解析 判断一个可逆反应是否达到平衡状态，要从两个方面来考虑：①v(正)＝v(逆)≠0；②混合物各成分浓度不变。只要符合其一，则达到平衡状态。B选项只知正反应速率，不知逆反应速率，无法判断是否平衡；E、F选项也无法判断是否平衡，因分子数之比为1∶3∶2及浓度相等，不能说明各成分浓度不变；G选项违背了平衡的特征；H选项正反应速率、逆反应速率都满足这种关系，不能说明v(正)＝v(逆)；I选项气体总质量不变，因为体积不变时密度始终不变，所以不能说明是否达到了平衡状态；A、K选项体现了v(正)＝v(逆)≠0；C、D、J选项体现了混合物各成分浓度不变，因此正确选项为A、C、D、J、K。
答案 ACDJK
跟踪练习2 下列关于化学反应限度的叙述中错误的是( ) ．．A．不同的化学反应，限度可能不同
B．可以通过改变温度来控制化学反应的限度 C．可以通过延长反应时间来改变化学反应的限度 D．催化剂不能改变化学反应的限度 答案 C
知识点3：化学反应限度的简单计算 例3 一定条件下的可逆反应：X(g)＋3Y(g)2Z(g)，若X、Y、Z起始浓度分别为c1、
－1－
c2、c3(均不为0)，当达平衡时X、Y、Z的浓度分别为0.1 mol·L、0.3 mol·L1、0.08 mol·L－1
，则下列判断中不合理的是( ) ．．．A．c1∶c2＝1∶3
B．平衡时，Y和Z的生成速率之比为3∶2 C．X、Y的转化率不相等
－
D．c1的取值范围为0＜c1＜0.14 mol·L1
解析 设在建立平衡过程中X的浓度变化为a X(g)＋3Y(g)2Z(g)
－1
起始量(mol·L) c1 c2 c3
－
变化量(mol·L1) a 3a 2a
－
平衡量(mol·L1) c1－a c2－3a c3＋2a 0.1 0.3 0.08
达到平衡时c(X)∶c(Y)＝1∶3，而转化的c(X)∶c(Y)＝1∶3，则c1∶c2＝1∶3，A合理C不合理；平衡时Y、Z的生成速率之比为其化学计量数之比，B合理；若起始时c3＝0，
－
0.08 mol·L1－1－－
则c1有极大值：c1＝0.1 mol·L＋＝0.14 mol·L1，所以0＜c1＜0.14 mol·L1。
2
答案 C
跟踪练习3 在一定温度下，容器内某一反应中M、N的物质的量浓度随反应时间变化的曲线如右图。则下列表述中正确的是( )
A．该反应的化学方程式为2MN B．t1时，N的浓度是M浓度的2倍
C．t3时，正反应速率大于逆反应速率
D．t2时，正、逆反应速率相等，化学反应达到了平衡
－
解析 从图中可以看出，O～t2时间段内，N的浓度减小了4 mol·L1，M的浓度增大了－－
2 mol·L1，所以反应的化学方程式为2NM，选项A错误；t1时，c(N)＝6 mol·L1，c(M)
－
＝3 mol·L1，c(N)＝2c(M)，选项B正确；t3时，M、N的浓度不再变化，说明v正＝v逆，选项C错误；t2时，c(M)＝c(N)而不是v正＝v逆，选项D错误。
答案 B
同步测控 小试牛刀
1．化学反应限度的调控在工业生产和环保技术等方面得到了广泛的应用，如果设法提高化学反应的限度，下列说法中错误的是( ) ．．
A．能够节约原料和能源
B．能够提高产品的产量 C．能够提高经济效益
D．能够增大化学反应速率 答案 D
2．下列反应体系中，不属于可逆反应的是( ) ．．．A．N2和H2合成氨
B．SO2与O2化合生成SO3
C．水电解生成H2和O2与H2在O2中燃烧生成水 D．密封容器内NO2和N2O4可以相互转化 答案 C
3．对化学反应限度的叙述中错误的是( ) ．．
A．任何可逆反应都有一定的限度
B．化学反应达到限度时，正、逆反应速率相等 C．化学反应的限度与时间的长短无关
D．改变外界条件，化学反应的限度不可能改变 答案 D 4．哈伯因发明了由氮气和氢气合成氨气的方法而获得1918年诺贝尔化学奖。现向一密闭容器中充入1 mol N2和 3 mol H2，在一定条件下开始反应。下列有关说法中正确的是( )
A．达到化学平衡时，将生成2 mol 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，N2、H2和NH3的物质的量浓度不再变化 D．达到化学平衡时，正反应和逆反应的速率都为零 答案 C
5．一定条件下，可逆反应：2A＋B3C＋4D在下列四种状态下不处于平衡状态的是．．．( )
A B C D 正反应速率 －－v(A)＝4 mol·L1·min1 －－v(B)＝1 mol·L1·min1 －－v(C)＝3 mol·L1·min1 －－v(A)＝2 mol·L1·min1 逆反应速率 －－v(B)＝2 mol·L1·min1 －－v(C)＝3 mol·L1·min1 －－v(D)＝4 mol·L1·min1 －－v(C)＝4 mol·L1·min1 答案 D
6．在一定温度下，反应A2(g)＋B2(g)2AB(g)达到反应限度的标志是( ) A．容器内气体的总压强不随时间变化而变化 B．A2、B2和AB的物质的量不再改变
第二章 第三节化学反应的速率和限度 第2课时化学反应的限度化学反应条件的控制
