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2.2 第1課時 可逆反應 化學平衡狀態 學案 (含答案)2023-2024學年高二化學人教版(2019)選擇性必修1

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2.2 第1課時 可逆反應 化學平衡狀態 學案 (含答案)2023-2024學年高二化學人教版(2019)選擇性必修1

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2.1 第1課時 可逆反應 化學平衡狀態
1.了解可逆反應的含義及其特點。
2.了解化學平衡的建立過程,掌握化學平衡狀態的特征。
3.學會平衡狀態的判斷方法。
【自主預習】
1.可逆反應
(1)概念:在        下,既能向    方向進行,同時又能向    方向進行的反應。
(2)特征
2.化學平衡狀態
(1)化學平衡狀態的概念
在一定條件下,    反應進行到一定程度時,正、逆反應的速率相等,反應物和生成物的濃度        ,即體系的組成不隨時間而改變,物質的轉化達到了“   ”,這時的狀態我們稱之為化學平衡狀態,簡稱化學平衡。
(2)化學平衡的建立
反應開始(t=0)時,c反應物最大,c生成物=0,即v正最大,v逆=0。
隨著反應的進行,即t>0時,v正減小,v逆增大,在坐標圖上表示為當可逆反應進行到一定程度時,c反應物、c生成物不再發生改變,即v正=v逆,反應達到化學平衡狀態。
(3)化學平衡的建立方向
①正反應方向建立平衡,v正減小,v逆增大,v正=v逆時達到平衡。
②逆反應方向建立平衡,v正增大,v逆減小,v正=v逆時達到平衡。
例如,一定條件下,把一定量的H2和N2充入恒容密閉容器中,在催化劑作用下發生反應N2+3H22NH3,從反應開始到平衡過程中,各物質的濃度變化如圖(a)所示;同理,一定條件下,充入一定量的NH3發生分解反應,隨著反應的進行,各物質的濃度變化如圖(b)所示。
③化學平衡的基本特征
3.化學平衡狀態的判斷方法
(1)用本質特征判斷
判斷依據:正反應速率與逆反應速率相等,即v正=v逆。
①同一種物質:該物質的生成速率    它的消耗速率。
②不同的物質:速率之比等于化學方程式中各物質的化學計量數之比,但必須是    的速率。
(2)用宏觀特征判斷
判斷依據:反應混合物中各組成成分的濃度、含量保持不變。
①各組成成分的質量、物質的量、分子數、體積(氣體)、物質的量濃度均保持    。
②各組成成分的質量分數、物質的量分數、氣體的體積分數均保持    。
③反應物的轉化率、產物的產率保持    。
【參考答案】1.(1)同一條件 正反應 逆反應
(2)正反應 逆反應 相同 同時 小于
2.(1)可逆 保持不變 限度 (3)可逆反應 相等
v正=v逆 v正=v逆≠0 一定 3.(1)等于 不同方向 (2)不變 不變 不變
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)可逆反應是指在同一條件下能同時向正、逆兩個方向進行的反應。 (  )
(2)Cl2與水的反應不是可逆反應。 (  )
(3)NH3和HCl反應生成NH4Cl與NH4Cl分解生成NH3和HCl互為可逆反應。 (  )
(4)可逆反應中反應物與產物共存。 (  )
(5)所有的化學反應都存在化學平衡狀態。 (  )
(6)平衡時反應已經達到最大限度,反應停止了。 (  )
(7)化學反應的限度不可以通過改變條件而改變。 (  )
(8)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限度。 (  )
【答案】(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)√
2.可逆反應等同于可逆過程嗎
【答案】不等同。可逆過程包括物理變化和化學變化,而可逆反應屬于化學變化。
3.反應2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)在恒溫恒容密閉容器中進行,下列可作為其達到平衡狀態的標志的有哪些
①SO2和SO3的濃度相等;
②SO2的質量分數保持不變;
③容器中氣體的壓強保持不變;
④SO3的生成速率與SO2的消耗速率相等;
⑤容器中混合氣體的密度保持不變;
⑥容器中氣體的平均摩爾質量保持不變;
⑦2v正(SO2)=v逆(O2)。
【答案】②③⑥
【解析】①反應物和生成物的濃度不變時達到平衡狀態,而不是濃度相等,錯誤;②SO2的質量分數是變量,保持不變時達到平衡狀態,正確;③反應在恒容密閉容器中進行,且該反應是氣體體積減小的反應,故容器中氣體的壓強是變量,當壓強不變時達到平衡狀態,正確;④SO3的生成速率與SO2的消耗速率都是正反應速率,錯誤;⑤容器的容積固定,氣體的質量固定,混合氣體的密度是定量,錯誤;⑥反應前后氣體的物質的量發生變化,而氣體的總質量不變,因此當容器內氣體的平均摩爾質量保持不變時,一定達到平衡狀態,正確;⑦正確的關系式為v正(SO2)=2v逆(O2),錯誤。
【合作探究】
任務1:可逆反應
情境導入 高爐煉鐵中Fe2O3+3CO2Fe+3CO2是一個可逆反應。在19世紀后期,人們發現煉鐵高爐所排出的高爐氣中含有相當量的CO,有的工程師認為,這是由CO和鐵礦石的接觸時間不夠長造成的,于是英國耗巨資建造了一個高大的煉鐵高爐,以增加CO和鐵礦石的接觸時間。可是后來發現,用這個高爐煉鐵,所排出的高爐氣中CO的含量并沒有減少。
問題生成
1.請分析高爐煉鐵所排出的高爐氣中CO的含量并沒有減少的原因。
【答案】Fe2O3+3CO2Fe+3CO2是一個可逆反應,具有一定的限度,當反應進行到一定程度后會達到一種動態平衡狀態,各組分的含量保持不變。
2.取少量反應Fe2O3+3CO2Fe+3CO2得到的產物,加入稀鹽酸中,得到一種溶液,向所得溶液中加入KSCN溶液,溶液變紅,分析原因。
【答案】反應產物中含有Fe和Fe2O3,加入稀鹽酸中所得溶液含有Fe2+和Fe3+,Fe3+會使KSCN溶液變紅。
3.寫出SO2 轉化為SO3、工業合成氨、形成氯水的三個化學方程式。觀察上述方程式,有何共同的特點
【答案】2SO2+O22SO3,N2+3H22NH3,Cl2+H2OHClO+HCl;都是可逆反應。
【核心歸納】
可逆反應
1.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。
2.特點
(1)二同:①同一條件下;②正、逆反應同時進行。
(2)一小:反應物與生成物同時存在,且任一組分的轉化率都小于100%。
3.表示
在方程式中反應符號用“”表示。
【典型例題】
【例1】下列反應屬于可逆反應的是(  )。
A.鹽酸與NaOH溶液的中和反應
B.CuSO4吸水形成晶體藍礬的反應與藍礬受熱失去水分生成CuSO4的反應
C.Cl2溶于水
D.Na2O溶于水
【答案】C
【解析】同一條件下,Cl2與水反應生成HCl和HClO,同時HCl和HClO反應生成Cl2與水,屬于可逆反應。
【例2】在一密閉容器中進行如下反應:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),已知反應過程中某一時刻SO2、O2、SO3的濃度分別為0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1,當反應達平衡時,可能存在的數據是(  )。
A.SO2為0.4 mol·L-1,O2為0.2 mol·L-1
B.SO2、SO3均為0.15 mol·L-1
C.SO3為0.25 mol·L-1
D.SO3為0.4 mol·L-1
【答案】C
【解析】假設該反應完全轉化,列三段式
           2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
某時刻濃度/mol·L-1 0.2 0.1 0.2
逆反應極限/mol·L-1 0.4 0.2 0
正反應極限/mol·L-1  0  0 0.4
A項,SO2和O2的濃度增大,說明反應向逆反應方向進行建立平衡,若SO3完全反應,則SO2和O2的濃度分別為0.4 mol·L-1、0.2 mol·L-1,SO3不可能完全轉化,錯誤;B項,反應物、生成物的濃度不可能同時減小,只能一個減小,另一個增大,錯誤;C項,SO2為0.25 mol·L-1,SO2的濃度增大,說明反應向逆反應方向進行,若SO3完全反應,則SO2的濃度為0.4 mol·L-1,實際濃度為0.25 mol·L-1,小于0.4 mol·L-1,正確;D項,SO3為0.4 mol·L-1,SO3的濃度增大,說明該反應向正反應方向進行,若SO2和O2完全反應,SO3的濃度為0.4 mol·L-1,達到平衡的實際濃度應該小于0.4 mol·L-1,錯誤。
任務2:化學平衡狀態
【核心歸納】
化學平衡狀態的標志
1.直接標志
(1)反應速率關系:v正=v逆(指瞬時速率)。對于同一物質而言,該物質的生成速率等于它的消耗速率;對于不同物質而言,反應速率之比等于化學方程式中的化學計量數之比,但必須是不同方向的反應速率。
(2)含量關系:反應體系中各組分的濃度、質量分數、物質的量、物質的量分數等保持不變。
2.間接標志
(1)反應物的轉化率保持不變。
(2)各物質的物質的量不隨時間的改變而改變。
(3)各氣體的體積不隨時間的改變而改變。
以反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)為例來說明:
a.混合物體系中各成分的含量
①各物質的物質的量、質量或物質的量分數、質量分數一定——平衡
②各氣體的體積或體積分數一定——平衡
③總體積、總壓強、總物質的量一定——不一定平衡
b.正、逆反應速率的關系
①在單位時間內消耗了m mol A,同時也生成了m mol A,即v正=v逆——平衡
②在單位時間內消耗了n mol B的同時消耗了p mol C,即v正=v逆——平衡
③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q,v正不一定等于v逆(平衡與否該式都成立)——不一定平衡
④在單位時間內生成了n mol B的同時消耗了q mol D,v正不一定等于v逆——不一定平衡
c.壓強
①m+n≠p+q時,總壓強一定(恒溫恒容)——平衡
②m+n=p+q時,總壓強一定(恒溫恒容)——不一定平衡
d.混合氣體的平均相對分子質量()
①當m+n≠p+q時,一定——平衡
②當m+n=p+q時,一定——不一定平衡
e.溫度:任何化學反應都伴隨著能量變化,當體系溫度一定時(絕熱裝置,其他條件不變)——平衡
f.氣體的密度(ρ):密度(ρ=)一定——不一定平衡
g.顏色:反應體系內有色物質的顏色穩定不變——平衡
【典型例題】
【例3】在密閉恒容容器中,判斷反應A(g)+B(g)C(g)+D(g)達到平衡的依據是(  )。
A.壓強不隨時間改變
B.氣體的密度不隨時間改變
C.c(A)不隨時間改變
D.單位時間內生成C和D的物質的量相等
【答案】C
【解析】A項,該反應前后氣體總體積相等,壓強始終不變;B項,氣體總質量和體積不變,混合氣體密度恒定;C項,各組分濃度保持不變時,達到平衡狀態;D項,生成C和D的物質的量始終相等。
【例4】制水煤氣的反應為C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)
ΔH>0,現將一定量的原料充入一個容積不變的真空密閉容器中,在恒定溫度下使其發生反應,不能說明該反應達到化學平衡狀態的是(  )。
A.CO與H2的物質的量之比不變B.H2的體積分數不再發生變化
C.混合氣體的壓強保持不變
D.混合氣體的密度不變
【答案】A
【解析】A項,隨著反應的進行,生成的CO與H2的物質的量之比始終為1∶1;B項,H2的體積分數即物質的量分數,隨著反應進行,H2的體積分數逐漸增大,當不變時說明反應達到平衡狀態;C項,隨著反應的進行,氣體的物質的量增大,達到平衡時氣體的物質的量不變,混合氣體壓強不變,因此壓強可作為平衡的標志;D項,由于反應物C為固體,隨著反應進行,氣體質量增大,反應容器體積一定,混合氣體的密度逐漸增大,當混合氣體的密度不變時,反應達到平衡狀態。
靈犀一點:“兩步法”突破化學平衡狀態標志的判斷
第一步:審題干條件,是恒溫恒容還是恒溫恒壓。審反應特點:①全部是氣體參與的等體積反應還是非等體積反應;②有固體參與的等體積反應還是非等體積反應。
第二步:看“變量”,所用標志必須隨著反應的進行在改變,當“變量”不變了,也就是變量一定了,說明反應達到平衡狀態。
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.反應C18O+H2OCO2+H2進行到一定程度時,18O存在于(  )。
A.CO和CO2中
B.CO、H2O、CO2中
C.CO中
D.CO、H2O、CO2、H2中
【答案】B
【解析】由于反應C18O+H2OCO2+H2為可逆反應,正反應、逆反應同時進行,則含有O元素的物質中均含有18O,故選B項。
2.在一密閉容器中,進行如下反應:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),能判斷該反應是否達到化學平衡狀態的依據是(  )。
A.混合氣體的密度保持不變
B.容器內的總壓不隨時間變化
C.v正(H2)=v逆(H2O)
D.c(CO2)=c(CO)
【答案】C
【解析】A項,在一密閉容器中,反應物、生成物都是氣體,所以混合氣體的密度保持不變不能作為判斷反應達到化學平衡狀態的依據;B項,因為反應前后化學計量數相等,所以容器內的總壓不變;C項,根據CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)可知,當v正(H2)=v逆(H2O),說明反應達到化學平衡狀態;D項,根據CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)可知,當c(CO2)=c(CO),不能說明反應達到化學平衡狀態。
對接高考
3.(2018年4月浙江選考,14)反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,若在恒壓容器中發生,下列選項表明反應一定已達平衡狀態的是(  )。
A.容器內氣體的密度不再變化
B.容器內壓強保持不變
C.相同時間內,生成N—H鍵的數目與斷開H—H鍵的數目相等
D.容器內氣體的濃度之比c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2
【答案】A
【解析】A項,反應N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0是氣體體積減小的反應,反應在恒壓容器中發生,體積可變但氣體總質量不變,密度不變說明氣體的體積不變,表明反應已達平衡狀態;B項,因反應在恒壓條件下進行,反應中壓強始終不變,故壓強不再變化不能表明反應一定已達平衡狀態;C項,斷開H—H鍵和生成N—H鍵均表示正反應,則相同時間內,斷開H—H鍵的數目和生成N—H鍵的數目相等不能表明反應一定已達平衡狀態;D項,容器內氣體的濃度與反應的起始狀態有關,c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2不能表明反應一定已達平衡狀態。
4.(2022·湖北卷,13)同位素示蹤是研究反應機理的重要手段之一。已知醛與H2O在酸催化下存在如下平衡:RCHO+H2ORCH(OH)2。據此推測,對羥基苯甲醛與10倍量的O在少量酸催化下反應,達到平衡后,下列化合物中含量最高的是(  )。
A.    B.
C. D.
【答案】D
【解析】由已知信息知,苯環上的羥基不發生反應,醛基中的碳氧雙鍵與O發生加成反應,在醛基碳原子上會連接兩個羥基(分別為—OD,—18OD),兩個羥基連接在同一個碳原子上不穩定,會脫水,得到醛基,的含量最高,D項正確。
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