师:同学们,欢迎来到课堂,今天我们要学习化学平衡状态。首先,梳理一下课标基本要求:需了解化学反应的可逆性、可逆反应的概念和特点,了解化学平衡建立的过程,能用图像表示,理解化学平衡的特征。梳理完课标要求,下面开始上课。
我们已学过很多化学反应,有些反应进行得较为彻底,比如强酸与强碱的中和反应;但有些反应进行程度一般,像氮气与氢气反应,即便在高温、高压、催化剂的苛刻条件下,也不能完全反应。在化学上,我们把几乎能完全进行的反应叫做不可逆反应,书写时用等号,例如碳与氧气反应生成二氧化碳的反应。那什么是可逆反应呢?可逆反应有哪些特点?
可逆反应具有可逆性过程,其实我们初中就接触过固体溶质的溶解和重新结晶析出,这两个过程一直在进行。比如在硫酸铜饱和溶液中悬吊一颗胆矾晶体,同学们看屏幕上这两幅图,一段时间后,晶体外形发生变化,但测量质量却不变,这说明固体溶质的溶解和结晶析出这两个过程速率相等,是可逆过程。
通过上述介绍,我们知道可逆过程包括物理变化和化学变化过程。把条件相同,正反应和逆反应同时进行的化学反应叫做可逆反应,书写时用可逆符号。我们规定从左向右进行的反应是正反应,从右向左进行的反应是逆反应。
高一我们学过两个重要的涉及化工生产的可逆反应,前面提到合成氨,这里再介绍二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫的反应,这个反应正逆两个方向在相同条件下,即催化剂、加热条件下同时进行。
梳理清楚概念后,我们来判断下列说法是否正确。第一题,氢气与氧气点燃生成水,电解又生成氢气和氧气,这两个反应条件不同,一个是点燃,一个是通电,所以这个反应不是可逆反应。第二题,在一定条件下,两摩尔二氧化硫与一摩尔氧气能生成两摩尔三氧化硫吗?这是典型的可逆反应,我们高一学过,可逆反应存在限度,不能完全进行到底。二氧化硫与氧气反应生成三氧化硫的同时,部分三氧化硫会再转化回来,所以这道题答案是错的。第三题,题干说可逆反应不等同于可逆过程,可逆过程包括物理过程和化学过程,而可逆反应指的是化学反应,通过刚才的学习,大家应该知道这是正确的。
做完这三道题,同学们发现可逆反应有一些明显特点吗?首先,正逆反应同时进行且条件相同,反应不可能进行到底,所以反应物转化率不可能达到100%。也正因如此,在同一体系中反应物和生成物可以共存。值得注意的是第四点,如果正反应是放热反应,那么逆反应就是吸热反应。例如二氧化氮转化为四氧化二氮,正反应放热,四氧化二氮转化回二氧化氮就是吸热反应过程,且这两个反应热数值相等。可逆反应反应热的数值,是指反应物完全转化为产物时放出或吸收的热量,但由于可逆反应不能进行到底,这个数值在实验室测量中是测不到的。
了解可逆反应特点后,我们巩固一道题。在密闭容器中,二氧化硫与含(^{18}O)的氧气发生反应生成三氧化硫,初始时这三种物质浓度分别为(0.2mol/L)、(0.1mol/L)和(0.2mol/L),足够长时间后,下列说法正确的是:A选项,二氧化硫浓度变为(0.4mol/L),这意味着所有三氧化硫要完全转化成二氧化硫才可能,这是不可能的;B选项,三氧化硫分解反应是放热反应。观察题干,正反应为放热反应,三氧化硫分解是逆反应,所以应该是吸热反应,该选项错误;C选项,初始阶段没有三氧化硫分解反应发生。可逆反应正逆两个方向同时进行,即使初始阶段,三氧化硫分解反应也会发生,该选项错误;D选项,(^{18}O)存在于这三种物质中。观察方程式,(^{18}O)在三氧化硫分子中必定存在,当三氧化硫分解时,有可能部分(^{18}O)转移到二氧化硫分子中,所以三种物质中都能找到(^{18}O),该选项正确。
在一定温度和压强下,在一升密闭容器中加入(1)摩尔二氧化硫、(0.5)摩尔氧气,通过图像看到各物质浓度随时间变化,在第(40)秒时不再改变。那能不能说这个反应停止了?或者化学反应速率为(0)了呢?下面我们逐一分析。
反应刚开始时,反应物浓度最大,所以正反应方向速率最大,产物浓度为(0),逆反应方向速率为(0)。同学们看这张曲线,黑色和蓝色哪条线代表反应物?对,是黑色,蓝色线初始阶段为(0),因为初始阶段没有产物,所以产物浓度从(0)开始上升。随着反应进行,通过图像看到反应物浓度逐渐下降,正反应方向速率下降,产物浓度增长,逆反应方向速率增长。
我们转化成速率 - 时间图像看,一个速率减小,一个速率增大,随着反应进行,某一时刻一定会出现速率值相等。速率相等意味着单位时间内正向反应物浓度转化到产物这一侧的量与逆向产物返还回来的量相等,所以从宏观上看,浓度不再发生改变。
因为图像中浓度不再改变,所以可以反推之后的速率值正向和逆向一直相等,那这个反应停止了吗?速率为(0)吗?大家应该明白,反应从未停止,而是出现了一种动态平衡状态。此时单位时间内正向和逆向转化的量相等,这样的动态平衡体系,我们称之为化学平衡状态。
在一定条件下,可逆反应中,当正逆两个反应速率相等时,体系中各物质的质量或浓度保持恒定的状态,我们称为化学平衡状态。在工业上投入原材料,达到化学平衡状态时,产物的质量和浓度达到最大值,这就是我们高一时说的该反应达到了这种状态下的限度。
明白了定义,我们再结合这道题的题干和图像,一起找一找化学平衡状态有哪些特征呢?
同学们应该明白了,化学平衡是可逆反应才存在的问题。平衡状态达到,本质就是正向和逆向速率相等,但反应没有停止,速率不为零,是动态平衡。达到平衡后,各物质的质量或浓度不再发生改变。最后要强调的是,化学平衡状态定义中一直强调一定条件,说明当温度、压强等外因条件改变时,化学平衡状态有可能被打破。经过梳理,我们总结出化学平衡状态的特征,用(5)个字概括:“逆、等、动、定、变”。
具体来看,研究对象是可逆反应,平衡条件是正向速率与逆向速率相等,平衡是动态平衡,平衡时各物质质量或浓度保持定值,要关注外界条件,条件改变,化学平衡可能改变,甚至在新条件下达到新平衡。
