化学反应的快慢和限度

【学习目标】

1．了解化学反应速率的概念、表示方法。

2．掌握化学反应速率的计算。

3．知道浓度、温度、催化剂、压强等条件对化学反应速率的影响。

4．知道可逆反应、化学平衡和化学反应的限度的含义，认识当一定的外界条件改变时化学反应限度可能发生改变。

5．认识化学平衡的特征，会判断化学平衡状态，知道条件改变时化学平衡会发生移动。

【学习重难点】

重点：掌握化学反应速率的计算。

难点：认识化学平衡的特征，会判断化学平衡状态，知道条件改变时化学平衡会发生移动。

【学习过程】

第1课时 化学反应的快慢

【新知导学】

一、化学反应速率及其表示方法

1．观察下列图片，说说哪些图片表示的过程中化学反应较快？哪些图片表示的过程中化学反应较慢？

答案：火箭发射、汽油的燃烧过程中化学反应较快；溶洞形成、铁制品生锈过程中化学反应较慢。

2．如何定性判断下列化学反应进行的快慢？

（1）Zn＋H₂SO₄===ZnSO₄＋H₂↑

（2）Ca（OH）₂＋CO₂===CaCO₃↓＋H₂O

（3）Fe^3＋＋3SCN^－===Fe（SCN）₃

答案：常通过化学反应现象变化的快慢来定性判断化学反应速率的快慢：（1）观察气泡逸出的快慢；（2）观察沉淀产生的快慢；（3）观察溶液颜色变化的快慢。

3．化学反应速率

（1）概念：化学反应速率是用来描述化学反应的快慢的物理量。

（2）表示方法：通常用单位时间内反应物浓度或生成物浓度的变化量来表示。

（3）计算：表达式为v＝Δt(Δc)或v＝V·Δt(Δn)。

式中：Δc为浓度的变化量，一般以mol·L^－1为单位；Δt为时间，单位常用s或min表示。

（4）常用单位：mol·L^－1·s^－1或mol·L^－1·min^－1。

4．在一个体积为2 L的密闭容器中发生反应2SO₂＋O₂→2SO₃，经过5 s后，测得SO₃的物质的量为0．8 mol。填写下表：

【归纳总结】

1．对于有固体或纯液体参加的反应，由于固体或纯液体的浓度为一常数，因此不用固体或纯液体表示反应速率。

2．化学反应速率是平均速率，而非瞬时反应速率。

3．表示化学反应速率时，必须指明具体的物质，因为同一化学反应用不同的物质表示反应速率，其数值可能不同。例如，化学反应N₂＋3H₂2NH₃，用H₂表示该反应的反应速率时写成v（H₂）。

4．对于一个具体的化学反应，反应物和生成物的物质的量的变化是按化学方程式中化学计量数之比进行的，所以化学反应中各物质的反应速率之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比。对于反应aA（g）＋bB（g）===cC（g）＋dD（g），v（A）∶v（B）∶v（C）∶v（D）＝Δn（A）∶Δn（B）∶Δn（C）∶Δn（D）＝Δc（A）∶Δc（B）∶Δc（C）∶Δc（D）＝a∶b∶c∶d。

5．同一时间内的同一个化学反应，虽然用不同物质表示的化学反应速率不一定相同，但它们表示的意义相同，一种物质的化学反应速率可代表整个化学反应的反应速率。

【活学活用】

1．下列关于化学反应速率的说法正确的是（    ）

A．对于任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显

B．化学反应速率通常表示一定时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加

C．化学反应速率为0.8 mol·L^－1·s^－1是指1 s时某物质的浓度为0.8 mol·L^－1

D．根据化学反应速率的大小可以知道化学反应进行的快慢

答案：D

解析：A项，化学反应速率越大，反应现象不一定越明显，如盐酸与氢氧化钠溶液的反应；B项，固体或纯液体的浓度可视为常数，一般不用固体或纯液体表示化学反应速率；C项，0.8 mol·L^－1·s^－1表示1 s的时间内，某物质的浓度变化了0.8 mol·L^－1；D项，化学反应速率是表示化学反应进行快慢的物理量。

易错警示：不可以用固体或液体表示某反应的化学反应速率，化学反应速率为一段时间内的平均反应速率，而不是瞬时反应速率，表明化学反应速率时，必须指明具体的物质。

2．反应：3A（g）＋B（g）===2C（g）＋2D（g），在不同条件下，用不同物质表示其反应速率，分别为①v（A）＝0.6 mol·L^－1·min^－1 ②v（B）＝0.45 mol·L^－1·min^－1 ③v（C）＝0.015 mol^－1·L^－1·min^－1 ④v（D）＝0.45 mol·L^－1·min^－1，则此反应在不同条件下进行最快的是（    ）

A．①

B．①③

C．②④

D．②

答案：D

解析：化学反应速率之比等于化学反应方程式中的化学计量数之比，即v（A）∶v（B）∶v（C）∶v（D）＝3∶1∶2∶2，则用A表示的化学反应速率分别为①中v（A）＝0.6 mol·L^－1·min^－1；②中v（A）＝3v（B）＝0.45 mol·L^－1·min^－1×3＝1.35 mol·L^－1·min^－1；③中v（A）＝2(3)v（C）＝2(3)×0.015 mol·L^－1·min^－1＝0.022 5 mol·L^－1·min^－1；④中v（A）＝2(3)v（D）＝2(3)×0.45 mol·L^－1·min^－1＝0.675 mol·L^－1·min^－1，所以在不同条件下，进行最快的是②，D项正确。

方法规律：（1）计算化学反应速率时，应将物质的量转化为物质的量浓度。

（2）在比较速率大小时，须转化成用同一物质表示化学反应速率，统一单位后再比较其大小。

3．已知某反应的各物质浓度数据如下：

aA（g）＋bB（g） → 2C（g）

起始浓度（mol·L^－1）    3．0    1．0    0

2 s末浓度（mol·L^－1）   1．8    0．6    0．8

据此可推算出上述方程式中各物质的化学计量数之比是（    ）

A．9∶3∶4

B．3∶1∶2

C．2∶1∶3

D．3∶2∶1

答案：B

解析：v（A）∶v（B）∶v（C）＝2(3.0－1.8)∶2(1.0－0.6)∶2(0.8)＝3∶1∶2，即物质化学计量数之比＝3∶1∶2。

规律总结：利用aA＋bB→cC＋dD的v（A）∶v（B）∶v（C）∶c（D）＝a∶b∶c∶d，可快速求出反应速率；也可根据反应中各物质表示的反应速率，求出各物质的系数。

二、影响化学反应速率的因素

1．按表中实验内容完成实验，观察现象填写下表：

2．影响化学反应速率的因素除浓度、温度和催化剂外，还有反应物的状态、固体表面积、压强、溶剂、光波等许多因素。人们可以通过这些因素来调控化学反应速率。

【归纳总结】

1．影响化学反应速率的主要因素（内因）

影响化学反应速率的决定性因素是反应物本身的性质。

2．影响化学反应速率的外界因素（外因）

（1）温度：其他条件不变时，升高温度，化学反应速率增大；降低温度，化学反应速率减小。一般温度每升高10 ℃，其化学反应速率将增大2～4倍。

（2）催化剂：其他条件不变时，使用适当的催化剂通常能极大地加快化学反应速率。催化剂具有选择性，即不同的化学反应一般需要不同的催化剂。催化剂参与化学反应，但其化学性质和质量在反应前后不变。

（3）溶液的浓度：其他条件不变时，增大反应物的浓度，化学反应速率增大；减小反应物的浓度，化学反应速率减小。

（4）压强：对于有气体参加的反应，其他条件不变时，增大气体压强，化学反应速率增大；减小气体压强，化学反应速率减小。

（5）固体表面积：固体颗粒越小，其单位质量的表面积越大，与其他反应物的接触面积越大，化学反应速率越大。

关键提醒：（1）当其他条件不变时，升高温度，不管是对于释放能量的反应还是吸收能量的反应，反应速率都增大；降低温度，反应速率都减小。

（2）有气体参加的反应，改变压强对反应速率的影响实质是通过改变浓度而引起的。当压缩体积或充入反应物，使压强增大，都能加快化学反应速率；若体积不变，充入不参与反应的气体，虽然容器压强增大，但反应物浓度没有发生变化，化学反应速率不变。

【活学活用】

4．在恒容密闭容器中发生反应：3CO（g）＋Fe₂O₃（s）高温(=====)3CO₂（g）＋2Fe（s）。下列说法正确的是（    ）

A．增加Fe₂O₃的量反应速率加快

B．升高温度反应速率不一定变化

C．再充入CO反应速率加快

D．充入N₂使压强增大反应速率加快

答案：C

解析：Fe₂O₃为固体，增加固体的量，浓度未变，反应速率不变，A项错误；温度对任何反应都有影响，B项错误；充入CO后，c（CO）增大，反应速率加快，C项正确；恒容充入N₂，虽然压强增大，但并未引起c（CO）的变化，反应速率不变，D项错误。

易错警示：（1）充入非反应气体对化学反应速率的影响：恒温恒容时：充入非反应气体→容器压强增大，但各物质浓度不变→反应速率不变。恒温恒压时：充入非反应气体→容器压强不变→体积增大→各物质浓度减小→反应速率减慢。

（2）若其他条件不变，改变反应物固体用量，而不改变固体表面积，化学反应速率不变。

5．把在空气中久置的铝片5.0 g投入盛有500 mL 0.5 mol·L^－1硫酸溶液的烧杯中，该铝片与硫酸反应产生氢气的速率与反应时间的关系可用如图所示的坐标曲线来表示，请回答下列问题：

（1）反应时间由O→a不产生氢气的原因是_____________________________________，有关的化学方程式为________________________________________。

（2）反应时间由a→c产生氢气的速率逐渐增大的主要原因是______________________。

（3）反应时间从c以后，产生氢气的速率逐渐减小的主要原因是___________________。

答案：（1）硫酸首先与铝片表面的氧化铝反应，不产生氢气 Al₂O₃＋3H₂SO₄===Al₂（SO₄）₃＋3H₂O

（2）反应放热使溶液温度升高，反应速率增大

（3）硫酸的浓度减小使反应速率减小

解析：（1）在空气中久置的铝片表面有氧化铝薄膜，因此，硫酸首先和氧化铝反应，不产生氢气。

（2）a→c段，虽然硫酸的浓度逐渐减小，但是该反应是放出热量的反应，反应进行中溶液温度逐渐升高，温度升高，化学反应速率增大。

（3）反应时间从c以后，硫酸的浓度逐渐减小，成为影响化学反应速率的主要因素，因此化学反应速率逐渐减小。

方法规律：研究多种因素对同一化学反应的反应速率都产生影响时，应考虑主要因素对化学反应速率的影响。

6．已知FeCl₃和MnO₂都可作H₂O₂分解制O₂的催化剂，为了探究温度对化学反应速率的影响，下列实验方案可行的是（    ）

答案：D

解析：当探究温度对化学反应速率的影响时，必须保证其他条件相同的情况下，再改变温度观察反应速率的变化。

方法规律：研究某种因素对同一化学反应的反应速率的影响时，应固定其他条件不变，只改变一种条件研究该条件对化学反应速率的影响。

【学习小结】

第2课时 化学反应的限度

【新知导学】

一、化学平衡的建立及其特征

1．可逆反应

（1）定义：在相同条件下，同时向正、反两个方向进行的化学反应称为可逆反应。

（2）特征

①可逆反应在一定条件下不能进行到底，只能进行到一定程度，反应有一定限度，即达到平衡状态，此时各物质的量都大于零。

②在可逆反应的化学方程式中，用“”号代替“===”号。

2．化学平衡的建立

（1）对于可逆反应2SO₂＋O₂===2SO₃，在一定温度下，将2 mol SO₂（g）和1 mol O₂（g）通入一定体积的密闭容器中。其化学反应速率与时间关系如图所示。分析回答下列问题：

①反应开始时，正反应速率最大，原因是反应物浓度最大；逆反应速率为0，原因是生成物浓度为0。

②反应进行中，正反应速率的变化是逐渐减小，原因是反应物浓度逐渐减小；逆反应速率的变化是逐渐增大，原因是生成物浓度逐渐增大。

③反应一段时间（t₁）后，正反应速率和逆反应速率的关系是大小相等，反应物的浓度不再改变，生成物的浓度不再改变。

（2）化学平衡状态也可从逆反应开始建立。如图：

3．化学平衡状态

（1）化学平衡状态的概念：在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度都不再随时间的延长而发生变化，这种状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。

（2）化学平衡状态的特征：

4．影响化学反应限度的因素

（1）决定因素：化学反应的限度首先决定于反应物的化学性质。不同的可逆反应在给定条件下的化学反应限度不同，反应物的最大转化率不同。

（2）外界因素：化学反应的限度受温度、浓度、压强等条件的影响。改变其中的一个条件，可以在一定程度上改变一个化学反应的限度。要注意的是，压强只影响有气体物质参与或生成的可逆反应的限度。

【归纳总结】

化学平衡状态的判断方法

（1）v_正＝v_逆，反应达到平衡状态；

（2）反应过程中，可变量保持不变时，反应达到平衡状态，恒定量不能作为平衡的标志。

举例分析如下：

【活学活用】

1．在一定温度下，反应H₂（g）＋I₂（g）＝2HI（g）达到化学平衡状态的标志是（    ）

A．单位时间内生成n mol H₂，同时就有n mol HI生成

B．单位时间内生成n mol H₂，同时就有n mol I₂生成

C．容器内气体的总压强不随时间的变化而变化

D．1个H—H键断裂的同时，有2个H—I键断裂

答案：D

解析：A项，生成H₂是逆反应，生成HI是正反应，根据化学方程式中的化学计量数关系，如果正、逆反应速率相等，则生成n mol H₂的同时应有2n mol HI生成；B项，生成H₂和生成I₂均是逆反应，没有指明正反应速率，不管平衡是否建立，只要反应进行，生成H₂和I₂的物质的量之比始终为1∶1，反应不一定达到化学平衡；C项，该反应前后气体总物质的量保持不变，其他条件一定时，反应从开始到达到平衡状态，压强一直保持不变，故气体总压强不变时，反应不一定达到平衡状态；D项，断裂H—H键是正反应，断裂H—I键是逆反应，根据化学方程式的计量数关系，断裂1个H—H键的同时，有2个H—I键断裂，其正反应速率等于逆反应速率，反应一定达到化学平衡。

易错警示：用“v_正＝v_逆”来判断反应是否达到化学平衡状态时，要满足：

（1）既要描述正反应，又要描述逆反应。

（2）根据化学方程式的计量数关系来判断正、逆反应速率是否相等。

2．在一定温度下的恒容密闭容器中，当下列物理量不再变化时，能说明反应A（s）＋2B（g） ＝C（g）＋D（g）已达到平衡状态的是（    ）

①混合气体的压强　②混合气体的密度　③B的物质的量浓度　④气体的总物质的量

A．①②

B．②③

C．③④

D．①④

答案：B

解析：反应中A为固态，反应前后气体的总物质的量不变，故混合气体的压强不变不能说明反应达到平衡，①错误；ρ＝V总(m总)，m_总变化，V_总不变，故混合气体的密度不变可以说明反应达到平衡，②正确；B的物质的量浓度不变可以说明反应达到平衡，③正确；反应前后气体总物质的量不变，气体总物质的量不变不能说明反应达到平衡，④错误。

规律总结：某一物理量在从开始到平衡的过程是“变化”的，而达平衡后则“不变”，则此物理量是判断平衡状态的标志。

二、化学平衡的移动

1．实验探究温度改变对化学平衡的影响

2．升高温度，平衡向吸热反应方向移动；降低温度，平衡向放热反应方向移动。

【归纳总结】

1．化学平衡移动的概念：已达化学平衡的可逆反应中，当条件改变时，原来的化学平衡被破坏，并在新的条件下建立起新的化学平衡的过程。

（1）化学平衡移动过程可表示为

条件改变一定时间后(――――→)≠0(′)

（2）化学平衡移动的本质是不同程度地改变了v_正和v_逆，只有条件改变后v_正 ≠v_逆，平衡才发生移动。

（3）若条件改变引起：

①v_正>v_逆⇒平衡正向移动；

②v_正<v_逆⇒平衡逆向移动；

③v_正、v_逆同时改变，若v_正＝v_逆⇒平衡不移动。

2．影响化学平衡移动的因素有：温度、反应物浓度、压强等。

【活学活用】

3．引起化学平衡移动的根本原因是（    ）

A．浓度的改变

B．压强的改变

C．使用了催化剂

D．正、逆反应速率的改变程度不同

答案：D

解析：其他条件一定时，浓度和压强的改变可以使正、逆反应速率发生改变，它们使化学平衡发生移动是通过改变正、逆反应速率来实现的，因此化学平衡移动的根本原因是正、逆反应速率的改变。使用催化剂可以改变反应速率，但它对正、逆反应速率的影响是相同的，即催化剂不能使化学平衡发生移动。

易错警示：1．外界条件改变时，v_正、v_逆同时改变，不一定能引起平衡移动，外界条件改变，若v_正和v_逆改变的倍数相同，化学平衡不移动。2．催化剂能同倍数的改变v_正和v_逆，故催化剂不影响化学平衡状态。

4．下列叙述不能肯定判断某化学平衡发生移动的是（    ）

A．反应体系的温度改变

B．反应混合物中各组分的百分含量改变

C．正、逆反应速率改变

D．反应物的转化率改变

答案：C

解析：A项，任何反应的发生都伴随能量的变化，所以，温度改变时，化学平衡一定会发生移动；根据化学平衡的特征，各组分的百分含量不变、反应物转化率不变，可判断B项、D项平衡发生移动；C项，若v_正与v_逆改变的程度相同，两者仍相等，则平衡不移动。

规律总结：反应物的转化率或反应混合物中各组分的百分含量发生改变，均可作为化学平衡移动的标志。

【学习小结】