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1、第六章第六章 化学反应与能量化学反应与能量第二节第二节 化学反应的速率与限度化学反应的速率与限度 一一个个化化学学反反应应在在实实际际进进行行时时(如如化化学学实实验验、化化工工生生产产等等)，反应物是否会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物呢？反应物是否会按化学方程式中的计量关系完全转变成产物呢？科学史话：科学史话：炼铁高炉尾气之炼铁高炉尾气之谜谜高温高温高炉炼铁的主要反应：高炉炼铁的主要反应：Fe2O33CO =2Fe3CO2其其CO发生的反应是发生的反应是：CO2CO2、CCO22CO 生产中所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算生产中所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算
2、所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的所需的量，而且从高炉炉顶出来的气体中总是含有没有利用的CO气体。气体。研究化学反应的新视角：研究化学反应的新视角：化学反应的限度化学反应的限度高高炉炉19世纪世纪下半叶，法国科学家勒夏特列才将谜底下半叶，法国科学家勒夏特列才将谜底揭开：揭开：CCO2 2CO是一个可逆反应。是一个可逆反应。后来的研究证明，在高炉中后来的研究证明，在高炉中Fe2O3和和CO反应也反应也不能全部转化为不能全部转化为 Fe 和和 CO2。科学研究科学研究表明表明，很多化学反应，很多化学反应都具有都具有可可逆性逆性，即正向反应和，即正向反应和逆向反应在逆向反应在同时
3、同时进行进行。只是可逆的程度有所不同且差异很大。只是可逆的程度有所不同且差异很大。科学史话：科学史话：炼铁高炉尾气之炼铁高炉尾气之谜谜研究化学反应的新视角：研究化学反应的新视角：化学反应的限度化学反应的限度一、可逆反应一、可逆反应 1、定义：、定义：2、特点：、特点：在在同一条件同一条件下，既能向下，既能向正正方向进行，方向进行，同时同时又能向又能向逆逆反应方向进行的反应，叫做可逆反应。反应方向进行的反应，叫做可逆反应。(1)普遍性普遍性:(2)同条件同条件:(3)同时性同时性:(4)共存性共存性:大多数大多数的化学反应都是可逆反应的化学反应都是可逆反应正、逆反应是在正、逆反应是在同一条件同一
4、条件下进行的下进行的正、逆反应正、逆反应同时同时进行进行反应物和生成物反应物和生成物共存共存二、化学反应的限度二、化学反应的限度一、可逆反应一、可逆反应 3、常见的可逆反应、常见的可逆反应NH3 H2O NH3H2O2SO2 O2 2SO3N2 3H2 2NH3 Cl2 H2O HClO HClCr2O72(橙色橙色)H2O 2CrO42(黄色黄色)2H二、化学反应的限度二、化学反应的限度练、某学习小组为了证明练、某学习小组为了证明2Fe32I 2Fe2I2 为可逆反为可逆反应，设计了如下的方案：应，设计了如下的方案：取取2 ml 0.5 mol/L KI溶液，滴加溶液，滴加2 ml 0.1
5、mol/L的的FeCl3溶液，溶液，再继续加入再继续加入2 ml CCl4，充分振荡、静置、分层，再取上清液，充分振荡、静置、分层，再取上清液，滴加滴加KSCN溶液。溶液。(1)该方案中能证明该反应为可逆反应的现象是：该方案中能证明该反应为可逆反应的现象是：_ _。下层溶液呈紫红色，且上清夜中加下层溶液呈紫红色，且上清夜中加KSCN后溶后溶液呈血红色。液呈血红色。二、化学反应的限度二、化学反应的限度(2)有同学认为该方案不够严密，即使该反应不是可逆反应也有同学认为该方案不够严密，即使该反应不是可逆反应也可能出现上述现象，原因是：可能出现上述现象，原因是：_ _。振荡过程中，溶液中振荡过程中，溶
6、液中Fe2+可被可被空气中的氧气氧化成空气中的氧气氧化成Fe3+练、某学习小组为了证明练、某学习小组为了证明2Fe32I 2Fe2I2 为可逆反为可逆反应，设计了如下的方案：应，设计了如下的方案：二、化学反应的限度二、化学反应的限度二、化学反应的限度二、化学反应的限度(1)化学平衡状态的建立化学平衡状态的建立以以CO(g)H2O(g)CO2(g)H2(g)为例：在一定温度为例：在一定温度下，将下，将0.1mol CO(g)0.1molH2O(g)通入通入1L密闭容器中。密闭容器中。开始时开始时c(生成物生成物)0，v逆逆0c(反应物反应物)最大，最大，v正正最大最大进行中进行中c(生成物生成物
7、)逐渐增大，逐渐增大，v逆逆逐渐增大逐渐增大c(反应物反应物)逐渐减小，逐渐减小，v正正逐渐减小逐渐减小平衡时平衡时v正正v逆逆0c(反应物反应物)、c(生成物生成物)均不变均不变二、化学反应的限度二、化学反应的限度v0t(2)化学平衡建立过程中化学反应速率的变化图像化学平衡建立过程中化学反应速率的变化图像v正正v逆逆t1v正正v逆逆以以CO为例：为例：v正正v逆逆(消耗消耗)(生成生成)即：即：指某种物质的指某种物质的消耗速率消耗速率等于其等于其生成速率生成速率化学平衡状态化学平衡状态二、化学反应的限度二、化学反应的限度(3)化学平衡状态的概念：化学平衡状态的概念：一一定定条条件件下下的的可
8、可逆逆反反应应中中，当当反反应应进进行行到到一一定定程程度度时时，正正反反应应速速率率与与逆逆反反应应速速率率相相等等，反反应应物物浓浓度度和和生生成成物物浓浓度度都都不不再再改改变变，达达到到一一种种表表面面静静止止的的状状态态。称称为为化学平衡状态，简称化学平衡。化学平衡状态，简称化学平衡。前提前提(适用范围适用范围):内在本质内在本质:外在标志外在标志:可逆反应可逆反应v正正v逆逆0各组分的浓度保持各组分的浓度保持不变不变说明：说明：化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完化学平衡状态是可逆反应在一定条件下所能达到的或完成的成的最大程度最大程度，即该反应的，即该反应的限度限度。二
9、、化学反应的限度二、化学反应的限度建立化学平衡的反应是建立化学平衡的反应是可逆可逆反应反应同一物质正反应速率和逆反应速率相等同一物质正反应速率和逆反应速率相等(即即v正正v逆逆)达到平衡状态时，反应并没有停止达到平衡状态时，反应并没有停止(即即v正正v逆逆0)平衡体系中平衡体系中各组分的各组分的含量含量(c、体积分数等、体积分数等)保存一定保存一定 任一化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的。条件任一化学平衡状态均是暂时的、相对的、有条件的。条件改变时，如果正、逆反应速率不再相等，化学平衡将发生改变改变时，如果正、逆反应速率不再相等，化学平衡将发生改变(平衡发生移动平衡发生移动)。(4)化学
10、平衡状态的化学平衡状态的特征特征逆逆:等等:动动:定定:变变:二、化学反应的限度二、化学反应的限度思考：思考：如何判断可逆反应是否已达到平衡状态？如何判断可逆反应是否已达到平衡状态？分析：分析：从化学平衡的概念入手从化学平衡的概念入手化学平衡的标志化学平衡的标志(1)正反应速率与逆反应正反应速率与逆反应速率相等速率相等(2)反应物浓度和生成物反应物浓度和生成物浓度浓度都都不再改变不再改变等等定定化学平衡强调的两个方面：化学平衡强调的两个方面：二、化学反应的限度二、化学反应的限度三、化学平衡的判断三、化学平衡的判断 (1)动态标志动态标志:v正正v逆逆0同种物质同种物质:不同物质不同物质:必须标
11、明是必须标明是“异向异向”的反应速率关系的反应速率关系同一物质的同一物质的生成生成速率等于速率等于消耗消耗速率速率(2)静态标志静态标志：各种各种“量量”不变不变各物质的各物质的质量质量、物质的量物质的量或或浓度浓度保持保持不变不变如如：aA(g)bB(g)cC(g)dD(g)，当当v正正(A):v逆逆(B)时，反应达到平衡状态时，反应达到平衡状态a:b二、化学反应的限度二、化学反应的限度各物质的百分含量各物质的百分含量(物质的量物质的量分数、分数、质量质量分数、分数、体积体积分数分数)不变。不变。(2)静态标志静态标志：各种各种“量量”不变不变各物质的各物质的质量质量、物质的量物质的量或或浓
12、度浓度保持保持不变不变温度温度、压强压强、颜色颜色保持不变保持不变判断可逆反应是否达到化学平衡状态的方法判断可逆反应是否达到化学平衡状态的方法 异向相等异向相等、变量不变、变量不变二、化学反应的限度二、化学反应的限度(3)综合分析综合分析举例举例mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)状态状态混物混物体系体系中合各组中合各组分分的的含量含量各物质的质量各物质的质量或或各各物质的质量分数一定物质的质量分数一定各气体的体积或体积分数一定各气体的体积或体积分数一定总总物质的物质的量、总压强一定量、总压强一定平衡平衡平衡平衡不一定平衡不一定平衡m+n p+q (非等体反应非等体反应)平衡平衡 m+
13、np+q (等体反应等体反应)不平衡不平衡三、化学平衡的判断三、化学平衡的判断异向相等、变量不变异向相等、变量不变 二、化学反应的限度二、化学反应的限度举例举例mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)状态状态正逆反应正逆反应速率关系速率关系在单位时间内消耗了在单位时间内消耗了m molA，同，同时生成时生成m molA，即，即v正正=v逆逆在单位时间内消耗在单位时间内消耗了了 n molB,同时生成同时生成 p molCvA:vB:vC:vD=m:n:p:q,v正正不一定等于不一定等于v逆逆在单位时间内生成在单位时间内生成了了 n molB，同时消耗了同时消耗了 q molD(续表续表)平
14、衡平衡不一定平衡不一定平衡不一定平衡不一定平衡不一定平衡不一定平衡二、化学反应的限度二、化学反应的限度举例举例mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)状态状态温度温度体系体系温度一定温度一定(假设体系与环假设体系与环境无能量交换境无能量交换)密度密度密度一定密度一定颜色颜色含有有色物质的体系含有有色物质的体系颜色颜色不再不再变化变化(续表续表)平衡平衡不一定平衡不一定平衡平衡平衡不一定平衡不一定平衡平衡平衡二、化学反应的限度二、化学反应的限度练、下列的说法中可以证明反应练、下列的说法中可以证明反应:H2(g)+I2(g)2HI(g)已达平衡状态的是已达平衡状态的是_(1)单位时间内生成单位
15、时间内生成n molH2的同时生成的同时生成n mol HI；(2)一个一个H H键断裂的同时，有两个键断裂的同时，有两个H I键断裂；键断裂；(3)质量分数：质量分数：w(HI)=w(I2)；(4)c(HI):c(H2):c(I2)=2:1:1；(5)温度和体积一定时，容器内压强不再变化；温度和体积一定时，容器内压强不再变化；(6)条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化；条件一定，混合气体的平均相对分子质量不再变化；(7)温度和压强一定时，混合气体的颜色不再发生变化；温度和压强一定时，混合气体的颜色不再发生变化；(8)温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化。温度和压强一定时，混合气体
16、的密度不再变化。(2)、(7)二、化学反应的限度二、化学反应的限度 练、在练、在一定温度下密闭容器中进行的反应一定温度下密闭容器中进行的反应2SO2+O2 2SO3下列下列说法中能说明已经达到化学平衡的是说法中能说明已经达到化学平衡的是()2v(O2)生成生成v(SO2)消耗消耗SO2、O2、SO3的浓度之比的浓度之比为为 2 1 2单位时间内单位时间内消耗消耗 1 mol O2，同时，同时生成生成 2 mol SO3混合气体的压强不变。混合气体的压强不变。A.B.C.D.A练、判断：对于可逆反应练、判断：对于可逆反应NH2COONH4(s)2NH3(g)CO2(g)，当，当NH3的体积分数的
17、体积分数保持不变时，该反应达到化学平衡状态。保持不变时，该反应达到化学平衡状态。二、化学反应的限度二、化学反应的限度1、控制反应条件的意义、控制反应条件的意义(1)促进有利的化学反应促进有利的化学反应(2)抑制有害的化学反应抑制有害的化学反应提高反应速率提高反应速率提高原料的利用率提高原料的利用率降低反应速率降低反应速率控制副反应的发生控制副反应的发生减少甚至消除有害物质的产生减少甚至消除有害物质的产生三、化学反应条件的控制三、化学反应条件的控制2、控制反应条件的基本措施、控制反应条件的基本措施 通过改变影响化学反应速率的外界因素通过改变影响化学反应速率的外界因素(温度、浓度、压温度、浓度、压
18、强等强等)，可以调控反应速率、改变可逆反应的限度，进而提高，可以调控反应速率、改变可逆反应的限度，进而提高反应转化率。反应转化率。3、化工生产控制反应条件的原则、化工生产控制反应条件的原则如：如：N2(g)H2(g)2NH3(g)原则：原则：考虑控制反应条件的考虑控制反应条件的成本成本和实际和实际可行性可行性选择：选择：400500oC、1030MPa三、化学反应条件的控制三、化学反应条件的控制4、案例分析：、案例分析：“提高煤的燃烧效率提高煤的燃烧效率”(1)煤的状态：煤的状态：(4)热量的利用：热量的利用：(2)空气用量：空气用量：(3)炉膛温度的材料：炉膛温度的材料：煤研得越细，与空气中氧气的接触面积越大，煤研得越细，与空气中氧气的接触面积越大，燃烧越充分，反应速率越大。燃烧越充分，反应速率越大。适量的空气有利于煤的燃烧，过多的空气会带适量的空气有利于煤的燃烧，过多的空气会带走大量的热量；少量的空气会使煤燃烧不充分走大量的热量；少量的空气会使煤燃烧不充分采用隔热的耐高温材料采用隔热的耐高温材料废气中的热量可用于供暖和发电等废气中的热量可用于供暖和发电等三、化学反应条件的控制三、化学反应条件的控制