人教版化学必修二2-3-2课件第二章 化学反应与能量 67页

在以前的学习中，我们所接触的化学反应进行得一般都很完全，如镁条燃烧后只剩下白色的氧化镁，金属钠与水反应后最终得到澄清的溶液 …… 那么，是不是所有的化学反应都能进行得很完全呢？ 炼制 1 t 生铁所需焦炭的实际用量，远高于按照化学方程式计算所需的量，且从高炉炉顶出来的气体中含有没有被利用的 CO 气体。开始，炼铁工程师们认为是 CO 与铁矿石接触不充分之故，于是设法增加高炉的高度。然而，令人吃惊的是，高炉增高后，高炉尾气中的 CO 的比例竟然没有改变。这成了炼铁技术中的科学悬念。 有关人士一直在研究其中的原因，直到 19 世纪下半叶，这一谜底才得以揭开。你知道这是为什么吗？ ● 梳理导引 1 ．实验发现，在二氧化硫与氧气的反应中，无论怎样改变反应条件都不能使二氧化硫全部转化成三氧化硫。这是因为在二氧化硫与氧气发生 ____________ 生成三氧化硫的同时，三氧化硫也在发生 ____________ 生成二氧化硫和氧气，即 ____________ 。 2 ．像这种在相同条件下同时向正、反 ____________ 进行的反应称为可逆反应，符号 ____________ 。 3 ．在反应 N 2 ＋ 3H 2 2NH 3 中，其中氮气与氢气生成氨气的反应称为 ____________ ，氨气分解为氮气与氢气的反应称为 ____________ 。 4 ．在生产过程中，化学反应的限度是决定 ________________ 和 ______________ 的重要因素之一，如果能设法 ____________ ，就能节约 ____________ 和 ____________ ，增加 ____________ ，从而提高经济效益，因此，化学平衡的限度问题实际上是 ____________ 中的 ______________ 和 ____________ 的平衡问题。 5 ．在一定条件下 ____________ 进行到一定程度时，反应物和生成物组成的平衡混合物的百分组成不再随时间的延长而发生变化， ____________ 和 ____________ 相等，这种状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。 ● 问题探究 1 ．什么是可逆反应？可逆反应有什么特点？ 提示： 同时能向正、反两个方向进行的反应称为可逆反应。可逆反应不能进行到底，反应物、产物共存。 2 ． 什么是化学平衡状态？平衡状态有哪些特征？ 提示： 在一定条件下，可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，称为化学平衡状态。其特征可归纳为逆、等、动、定、变。 3 ．判断一个可逆反应达到平衡状态的标志是什么？ 提示： 正、逆反应速率相等；反应物和生成物的浓度不再发生变化 ( 或各物质的百分含量不再发生变化 ) 。 4 ． 何为化学平衡移动？哪些外界条件的改变对化学平衡移动有影响？ 提示： 当外界条件改变时原来的化学平衡被破坏，在新的条件下建立起新的化学平衡，即发生化学平衡的移动。影响化学平衡移动的因素主要有温度、浓度、压强等。催化剂不影响平衡移动。 ● 细品教材 1 ． 可逆反应 在相同条件下同时向正、反两个方向都能进行的化学反应称为可逆反应。 2 ． 可逆反应的特点 (1) 正反应和逆反应之间具有既对立又统一的关系。即正反应和逆反应是两个方向完全相反的不同的化学反应，但它们又同时存在，不可分离。例如，如果某容器内有 SO 2 跟 O 2 合成 SO 3 的化学反应，那也一定有 SO 3 分解为 SO 2 和 O 2 的化学反应。 (2) 正反应和逆反应发生的条件相同。例如 2SO 2 ＋ O 2 ―→ 2SO 3 和 2SO 3 ―→ 2SO 2 ＋ O 2 的条件都是催化剂、高温。如果对反应体系施加影响化学反应速率的措施，正反应的速率和逆反应的速率都受影响。 (4) 能量类型的转化互逆。如果正反应是放热 ( 或吸热 ) 反应，则逆反应就是吸热 ( 或放热 ) 反应。例如 2SO 2 ＋ O 2 ===2SO 3 是放热反应， 2SO 3 ===2SO 2 ＋ O 2 是吸热反应。 【解析 】 　 根据可逆反应的定义， “ 在 ‘ 相同条件 ’ 下，既能向正反应进行，又能向逆向反应进行的反应叫做可逆反应 ” 。所以 C 中的反应不是可逆反应。 【答案 】 　 C 　下列关于可逆反应的说法正确是 ( 　　 ) A ．氢气在氧气中点燃可生成水，水电解生成氢气与氧气，因此氢气和氧气的反应是可逆反应 B ．在催化剂的作用下，二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫的同时，三氧化硫又分解生成二氧化硫和氧气，因此二氧化硫与氧气的反应是可逆反应 C ．对于合成氨的反应，在现有技术条件下，反应物的转化率可以达到 100% D ．碳酸钙在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙和二氧化碳在常温下生成碳酸钙，因此这两个反应是可逆反应 【解析 】 　 可逆反应是指在相同条件下，能同时向正、逆反应方向进行的反应。可逆反应强调两点：相同条件和同时双向进行。 A 、 D 项中的两组反应，由于反应条件不同，不能称为可逆反应；可逆反应由于可逆，所以其反应物的转化率不可能达到 100% 。 【答案 】 　 B ● 细品教材 1 ． 化学反应的限度的概念 一定条件下，当一个可逆反应的正反应速率与逆反应速率相等时，反应物和生成物的浓度不再改变，即达到表面上静止的一种 “ 平衡状态 ” ，既化学平衡状态，简称化学平衡，也就是这个反应所能达到的限度。 (1) 如何理解 v 正 ＝ v 逆 ？ 例：一定条件下，可逆反应 N 2 ＋ 3H 2  2NH 3 ，对该可逆反应，表示正、逆反应速率可以用 N 2 或 H 2 或 NH 3 来表示： ① 单位时间内，有 1 mol N 2 反应掉，同时有 1 mol N 2 生成。 ② 单位时间内，有 3 mol H 2 反应掉，同时有 2 mol NH 3 反应掉。 ③ 单位时间内，有 6 mol H — H 键断裂，同时有 6 mol H — H 键生成。 ④ 单位时间内，有 1 mol N 2 生成，同时有 2 mol NH 3 生成。 以上均表示 v 正 ＝ v 逆 。 (2) 如何理解 “ 反应物和生成物的浓度不再改变？ ” 反应物的浓度和生成物的浓度不再改变，即反应物和生成物中各物质的浓度保持一定，各物质的质量保持一定，各物质的物质的量保持一定，各物质的质量分数也保持一定。 温馨提示： ① 化学反应的限度 ( 或化学平衡状态 ) 研究对象为可逆反应，且要求在一定条件下。如恒温恒容或恒温恒压。 ② 化学反应限度的本质： v 正 ＝ v 逆 ≠ 0 ，可理解为同一物质的生成速率等于其消耗速率，如果不是同一物质的速率，应依据化学计量数转化为同一物质速率。 ③ 化学反应限度的宏观特征：反应物和生成物的浓度不再变化。应理解为：物质的量浓度一定；组成成分的百分含量一定；反应体系的压强一定 ( 反应前后气体体积相等的除外 ) ；混合气体的平均相对分子质量一定等。不能理解为各组成成分的含量或浓度相等，通常情况下平衡时各组成成分的含量或浓度是不相等的。 2 ．化学平衡状态的特征 (1) 逆：研究对象为可逆反应。 (2) 动：为动态平衡，达到平衡状态时，正逆反应仍在不断进行，即 v 正 ＝ v 逆 ≠ 0 。 (3) 等：达到平衡状态时， v 正 ＝ v 逆 ，但不等于零，这也是其本质。 (4) 定：平衡时，各组分的浓度不变，这也是其宏观特征。 (5) 变：化学平衡为一定条件下的平衡，当外界条件 ( 如温度、压强、浓度等 ) 改变时，化学平衡被破坏，反应混合物中各组成成分的浓度会发生变化，在新的条件下建立新的平衡状态。 3 ．化学平衡的移动及影响化学反应限度的因素 化学平衡研究的对象是可逆反应，化学平衡是有条件的动态平衡，在一定条件下才能保持平衡状态，当影响化学平衡的条件 ( 浓度、压强、温度等 ) 改变时，原平衡就会被破坏，反应混合物里各组分的含量会随之改变，引起 v 正 ≠ v 逆 ，然后在新条件下重新建立平衡。这种可逆反应中旧化学平衡的破坏，新化学平衡的建立过程叫做化学平衡的移动。大量的科学实验证明，化学平衡的移动受到温度、浓度、压强等条件的影响。 ● 典例精析 【例 2 】　下列关于化学反应限度的说法中正确的是 ( 　　 ) A ．当一个可逆反应达到平衡状态时，这就是这个反应在该条件下所能达到的限度 B ．当一个可逆反应进行到平衡状态时，那么这个反应的正反应速率和逆反应速率相等 C ．平衡状态是一种静止的状态，因为反应物和生成物的浓度已经不再改变 D ．化学反应的限度不可以通过改变条件而改变 【解析 】 　 当一个可逆反应在一定条件下达到平衡时，亦就是这个反应在该条件下所达到的限度。并且此时的化学平衡状态是一个动态平衡，只要条件变，平衡即被破坏。当一个可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时，该反应已达到平衡状态；反之，当一个可逆反应进行到平衡状态时，那么这个反应的正反应速率和逆反应速率相等，所以 B 正确；当一个可逆反应进行到平衡状态时，那么这个反应的正反应速率和逆反应速率相等，从表面上看，反应物不再被消耗，生成物也不再增加，反应物达到最大转化率，生成物达到最大产率，这就是这个反应在该条件下所能达到的限度，所以 A 正确； 化学平衡状态是一种动态平衡，一旦条件改变，平衡就要被破坏，化学反应的限度也就随之而改变，所以 C 、 D 说法是错误的。 【答案 】 　 A 、 B 【点拨】　 本题考查的是有关化学反应限度的概念。 【答案 】 　 C 【点拨】　 本题考查判断平衡状态的标志。 ( 山师大附中 2009 ～ 2010 学年度高一下学期期中考试 ) 下列关于反应速率的说法中，错误的是 ( 　　 ) A ．反应速率用于衡量化学反应的快慢 B ．决定反应速率的主要因素是反应物的性质 C ．可逆反应达到化学平衡时，正、逆反应速率都为零 D ．增大反应物浓度，提高反应物温度都能增大反应速率 【答案 】 　 C 　 ( 山师大附中 2009 ～ 2010 学年度高一下学期期中考试 ) 一定条件下，在密闭容器中，能表示反应 X(g ) ＋ 2Y(g)  2Z(g) ，一定达到化学平衡状态的是 ( 　　 ) ① X 、 Y 、 Z 的物质的量之比为 1:2:2 　 ② X 、 Y 、 Z 的浓度不再发生变化　 ③ 容器中的压强不再发生变化　 ④ 单位时间内生成 n mol Z ，同时生成 2 n mol Y A ． ①② B ． ①④ C ． ②③ D ． ③④ 【答案 】 　 C ● 细品教材 1 ． 化学反应条件的选择 以 “ 提高煤的燃烧效率 ” 为例，分析化学反应条件的选择。 (1) 煤的状态与煤燃烧的速率有何关系？与煤的充分燃烧有何关系？ 煤被研得越细，粉末越小，与空气中 O 2 的接触面积越大，燃烧越充分，反应速率越快。 (2) 空气用量对煤的充分燃烧有什么影响？原因是什么？ 空气充足，煤燃烧生成 CO 2 越充分，放热越多；若空气不足，则煤燃烧部分生成 CO ， CO 排放到空气中造成污染，且生成 CO 时，放出的热量大大减少。 (3) 应选择什么样的炉 ( 灶 ) 膛材料？理由是什么？ 应选择保温隔热且耐热的炉膛材料；尽管煤燃烧是放热反应，但反应过程中煤燃烧需提供部分能量才能继续，因此利用煤燃烧放出的部分热量就可维持反应的继续进行，选择保温隔热材料的目的，正是为了防止热量消失。 (4) 如何充分利用煤燃烧后废气中的热量？ 可将燃烧后的废气通过交换装置，供其他方面使用。 2 ． 燃料燃烧不充分的危害 (1) 产生热量少，浪费资源。 (2) 产生污染物，危害人体健康。 3 ．提高燃料的燃烧效率的措施 (1) 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尽可能充分接触，且空气要适当过量。 (2) 尽可能充分利用燃料燃烧所释放出的热能，提高热能的利用率。 4 ．化学实验、物质制备、试剂保存等中反应条件的控制 (1) 实验室制取 CO 2 ：用大理石时，应选用稀盐酸，而不能用稀硫酸，因硫酸与碳酸钙反应生成的硫酸钙覆盖在大理石的表面，阻止反应继续进行。 (2) 实验室制取 H 2 ：用锌跟稀硫酸反应时，速率较慢，为了加快反应速率，可向稀硫酸中加入少量的 CuSO 4 溶液，构成铜锌原电池，产生 H 2 的速率加快。 (3) 实验室制取氧气： ① 用氯酸钾制取 O 2 时，需要加热并加入 MnO 2 作催化剂； ② 用 KMnO 4 制取 O 2 时，需要加热； ③ 用过氧化氢 ( 又称双氧水： H 2 O 2 ) 制取 O 2 时，需要加入 MnO 2 作催化剂。 (4) 用铝盐制取 Al(OH) 3 时：可选用可溶性铝盐溶液跟弱碱 —— 氨水反应，而不用强碱如 NaOH 溶液等，后者不易于控制用量， Al(OH) 3 能溶于强碱溶液中，但不溶于弱碱 —— 氨水 (NH 3 · H 2 O) 中。与此相似，用偏铝酸钠 (NaAlO 2 ) 溶液制取 Al(OH) 3 时，可用弱酸如向溶液中通入 CO 2 气体，而不用强酸如盐酸等，后者不易于控制用量， Al(OH) 3 能溶于强酸溶液中，但不溶于弱酸 —— 碳酸 (CO 2 ＋ H 2 O) 中。 (5) 实验室制取乙烯，温度要控制在 170 ℃ ；从石油中分馏出汽油，温度控制在 60 ℃ ～ 150 ℃ 等。 (6) 试剂的保存：应根据其性质来选择保存方法。 ① 易与空气中的 O 2 或 CO 2 或水蒸气反应的试剂要隔绝空气，如少量金属钠可以保存在煤油中，少量白磷可以保存在水中，亚硫酸钠要密封保存，硫酸亚铁溶液中要加入过量的铁等； ② 见光易分解的应避光保存，用棕色试剂瓶盛装并放在黑暗处，如硝酸、硝酸银、氯水等； ③ 受热易分解的应放在阴凉处，如浓硝酸等； ④ 与玻璃中的 SiO 2 反应的物质，如 NaOH 、氢氟酸 (HF) 应放在塑料瓶中，盛氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，而用橡胶塞等。 (7) 试管的洗涤：应根据试管上所附物质的性质，选择相应的洗涤剂。 ● 典例精析 【例 4 】　我国锅炉燃煤采用沸腾炉逐渐增多，采用沸腾炉好处在于 ( 　　 ) A ．增大煤炭燃烧时的燃烧热，并形成清洁能源 B ．减少炉中杂质气体 ( 如 SO 2 等 ) 的形成 C ．提高煤炭的热效率并减少 CO 的排放 D ．使得燃料燃烧充分，从而提高燃料的利用率 【解析 】 　 由于大块的固体燃料与空气接触有限，燃烧不够充分和完全，使燃料燃烧产生的热量减少，浪费资源，还会产生大量的 CO 等气体，危害人体健康。采用沸腾炉是将固体燃料粉碎，增大燃料与空气的接触面积，提高燃烧效率，同时，又能防止煤炭不充分燃烧产生的 CO 污染大气。但由于煤炭没有经过去硫处理，所以，不能减少 SO 2 气体的产生。 【答案 】 　 C 、 D 【例 5 】　我国农业遭受酸雨而造成的损失每年高达 15 亿多元。为了有效控制酸雨，目前国务院已批准了 《 酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案 》 等法规。 (1) 你认为减少酸雨产生的途径中可采取的措施是 ( 　　 ) ① 少用煤作燃料　 ② 把工厂烟囱造高　 ③ 燃料脱硫　 ④ 在已酸化的土壤中加石灰　 ⑤ 开发新能源 A ． ①②③ 　　　　　　　 B ． ②③④⑤ C ． ①③⑤ D ． ①③④⑤ (2) 在英国进行的一个研究结果表明：高烟囱可以有效地降低地面 SO 2 浓度。在 20 世纪的 60 ～ 70 年代的 10 年间，由发电厂排放出的 SO 2 增加了 35% ，但由于建造高烟囱的结果，地面浓度降低了 30% 之多。请你从全球环境保护的角度，分析这种方法是否可取？简述理由。 (3) 传统的煤、石油燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油燃料相比，哪种物质可作为新的能源？主要优点又是什么？ 【解析 】 　 化石燃料中含有 S 、 N 等元素，燃烧后易产生 S 、 N 的氧化物污染大气。 【答案 】 　 (1)C 　 (2) 不可取；因为 SO 2 的排放总量没有减少，所以形成的酸雨仍会造成对环境的危害。　 (3) 煤、石油是不易再生的化石燃料，其资源是有限的；其次，燃烧后产生的 SO 2 、 NO x 等严重污染大气，形成酸雨；再次，燃烧后产生的 CO 2 又导致地球表面气温升高 ( “ 温室效应 ” ) 。 H 2 ：第一， H 2 可以用水作原料来制取，有广泛的来源；第二， H 2 燃烧时放热多，放出的热量约为同质量的汽油的三倍；第三，氢燃料的最大优点是燃烧的产物是水，不污染环境，还可循环利用。 　 下列措施可以提高燃料燃烧效率的是 ( 　　 ) ① 提高燃料的着火点　 ② 降低燃料的着火点　 ③ 将固体燃料粉碎　 ④ 将液体燃料雾化　 ⑤ 将煤气化处理　 ⑥ 通入适量的空气 A ． ①③④⑤ B ． ②③⑤⑥ C ． ③④⑤⑥ D ． ①②③④ 【解析 】 　 理论上，提高燃料燃烧效率的方法是：增大燃料与空气的接触面积，并通入充足的空气。本题就此设问，具体解题方法有以下两种。 方法 1( 逐项分析 ) ：可燃物的着火点是无法提高和降低的， ①② 不能提高燃料燃烧效率。将固体粉碎、将液体雾化、将煤气化等都能增大燃料与空气的接触面积， ③④⑤ 可提高燃料的燃烧效率。 ⑥ 通入适量的空气，也是提高燃料燃烧效率的一种方法。 方法 2( 排除法 ) ：由以上分析可知：备选项中有 ① 者不可选，选项 A 、 D 被排除；备选项中有 ② 者不可选，选项 B 被排除。 【答案 】 　 C 原料 相对投资费用 能量消耗 /J · t － 1 天然气 1.0 2.8 × 10 9 重油 1.5 3.8 × 10 9 煤 2.0 4.8 × 10 9 数据 Ⅱ 　经实验测定 NH 3 的浓度 (mol · L － 1 ) 随反应时间 (min) 变化的关系 ( 注：压强恒定， N 2 、 H 2 的起始浓度为 0) 序 号 　时间 浓度 温度 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 1 500 ℃ 1.0 0.80 0.67 0.57 0.50 0.50 2 500 ℃ 1.0 0.60 0.50 0.50 0.50 0.50 3 T ℃ 1.0 0.40 0.25 0.20 0.20 0.20 (1) 根据数据 Ⅰ ，如果由你来负责建造该合成氨厂，你打算以 ____________________ 为原料来制备氢气，理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 。 (2) 根据数据 Ⅱ 完成下列填空。 ① 实验 1 中达到平衡的时间为 ________________ ，理由是 ________________ ，此时 H 2 的体积分数为 ____________ 。 ② 推测实验 2 中还隐含的条件是 ____________ 。 ③ 比较上述数据可知， T ____________( 填 “ > ” 、 “ < ” 或 “ ＝ ” )500 。 ④ 根据上述数据，若要使反应向有利于 NH 3 的生成方向进行，理论上应控制的反应条件是 __________ ，还要采取的措施为 ________________________ 。 (3) 由于合成氨反应中反应物的转化率小，所以在工业上采取气体循环的流程，即反应后通过降低混合气体的温度而使氨分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于 ____________( 填编号 ) 。 ① 过滤　 ② 蒸馏　 ③ 渗析　 ④ 萃取 【解析 】 　 (1) 由数据 Ⅰ 可以看出，天然气投资费用最低，能耗最低，且四川省的天然气储量丰富，所以天然气是制取氢气的最佳原料选择。 (2) 实验 1 中当时间为 t 5 时， NH 3 的浓度不再发生变化，此刻反应达到限度。根据反应： 2NH 3 (g)  N 2 (g) ＋ 3H 2 (g)( 正反应吸热 ) 及题目中提供的数据可算出平衡时 H 2 的浓度为 0.75 mol · L － 1 ，几种气体的总浓度为 1.5 mol · L － 1 ，故 H 2 的体积分数为 50% 。实验 2 与实验 1 温度相同，而达到平衡所需的时间较短，而压强是相同的，只可能是实验 2 中使用了催化剂。实验 3 中达到平衡时 NH 3 的浓度比实验 1 、 2 中的低，说明平衡向 NH 3 的分解方向移动，而升温有利于 NH 3 的分解，故 T >500 。由此可见，温度高不利于合成氨反应的进行，应降低温度，同时增大 N 2 、 H 2 的浓度并及时分离出 NH 3 。 (3) 分离氨是通过温度的改变而改变物质的状态，从而达到分离的目的，故蒸馏原理与之类似。 【答案 】 　 (1) 天然气　天然气投资费用最低，能耗最低，且来源丰富 (2) ① t 5 　 NH 3 的浓度不再发生变化　 50% 　 ② 反应中使用了催化剂　 ③ > 　 ④ 降低温度　增大 N 2 、 H 2 的浓度并及时分离出 NH 3 (3) ② 【点拨】　 本题通过对有关合成氨实验数据的处理和分析，综合考查同学们运用所学知识解决实际问题的能力。解答时要将所学的基本理论和原理与实际数据结合起来，找出它们之间的结合点，进行分析比较，从而得出正确结论。 ● 资料备选 请探究温度如何影响二氧化氮和四氧化二氮的化学平衡？ 【解析 】 　 本题实质上是考查温度对化学平衡的影响，请将反应的特点和平衡的移动联系起来。因此在考虑问题时要找出它们的联系。 化学平衡状态是在一定条件下建立的，当条件改变时，化学平衡状态会改变。 【答案 】 　该反应是可逆反应，且正反应是放热反应。在实验过程中，观察到浸入冰水中的烧瓶里的气体的混合物颜色变浅，说明二氧化氮浓度减小，四氧化二氮浓度增加，原平衡状态被破坏，平衡向正反应方向移动，即向放热反应方向移动；而浸入热水中的烧瓶中气体混合物颜色变深，说明二氧化氮浓度增加，四氧化二氮浓度减小，同样破坏了原平衡状态，说明平衡向逆反应方向移动。可见，当条件改变时，原来的化学平衡将被破坏，并在新的条件下建立新的平衡，即发生了化学平衡移动。