高中化学《化学反应的方向和限度》学案2 苏教版选修4.doc

化学反应的方向及判据1.反应焓变与反应方向（1）多数能自发进行的化学反应是放热反应。如氢氧化亚铁的水溶液在空气中被氧化为氢氧化铁的反应是自发的，其H（298K）=444.3kJmol1（2）部分吸热反应也能自发进行。如NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)，其H（298K）= +37.30kJmol1。（3）有一些吸热反应在常温下不能自发进行，在较高温度下则能自发进行。如碳酸钙的分解。因此，反应焓变不是决定反应能否自发进行的唯一依据。2.反应熵变与反应方向（1）熵：描述大量粒子混乱度的物理量，符号为S，单位Jmol1K1，熵值越大，体系的混乱度越大。（2）化学反应的熵变（S）：反应产物的总熵与反应物总熵之差。（3）反应熵变与反应方向的关系多数熵增加的反应在常温常压下均可自发进行。产生气体的反应、气体物质的量增加的反应，熵变都是正值，为熵增加反应。有些熵增加的反应在常温下不能自发进行，但在较高温度下则可自发进行。如碳酸钙的分解。个别熵减少的反应，在一定条件下也可自发进行。如铝热反应的S= 133.8 Jmol1K1，在点燃的条件下即可自发进行。4.焓变和熵变对反应方向的共同影响“四象限法”判断化学反应的方向。在二维平面内建立坐标系，第象限的符号为“、”，第象限的符号为“、”，第象限的符号为“、”，第象限的符号为“、”。借肋于数学坐标系四个象限的符号，联系焓变与熵变对反应方向的共同影响，可以从热力学的角度快速判断化学反应的方向。在温度、压强一定的条件下，化学反应的方向的判据为：HTS0反应能自发进行HTS=0反应达到平衡状态HTS0反应不能自发进行反应放热和熵增加都有利于反应自发进行。该判据指出的是化学反应自发进行的趋势。S0H0所有温度下反应均不能自发进行S0H0所有温度下均可自发进行S0H0高温下反应自发进行S0H0低温下反应自发进行yx、典型例题.第象限符号为“、”（S0、H0）时化学反应的方向高温下反应自发进行【例】石灰石的分解反应为：CaCO3(s)=CaO(s) +CO2(g)其H（298K）=178.2kJmol，S（298K）=169.6Jmol1K1试根据以上数据判断该反应在常温下是否自发进行？其分解温度是多少？【解析】HS178.2kJmol103169.6kJmol1K1 =128kJmol10298K时，反应不能自发进行。即常温下该反应不能自发进行。由于该反应是吸热的熵增加反应，升高温度可使HS0，假设反应焓变和熵变不随温度变化而变化，据HS0可知，H/S =178.2kJmol/103169.6kJmol1K1=1051K，即温度高于时反应可自发进行。.第象限符号为“、”（S0、H0）时化学反应的方向所有温度下反应均能自发进行【例】已知双氧水、水在、kPa时的标准摩尔生成焓的数据如下：物 质fH/kJmolH2O(l).H2O2(l).O2（g）0（）试由以上数据计算双氧水发生分解反应的热效应。（）若双氧水发生分解反应生成液态水和氧气时，其S=57.16Jmol1K1试判断该反应在常温下能否自发进行。若温度达到时，反应能否自发进行。【解析】（）根据H =H（产物）H（反应物）得，H =（.kJmol）+02（.kJmol）=.kJmol。（2）在时，HS.kJmol(298K10357.16kJmol1K1) =152.23 kJmol0该反应在常温下可自发进行。温度达到，且假定焓变和熵变不随温度变化而变化，HS.kJmol(K10357.16kJmol1K1)=.kJmol0故S0、H0时，仅从符号上进行分析，无论温度如何变化，恒有HS0，故化学反应的方向所有温度下反应均能自发进行。.第象限符号为“、”（S0、H0）时化学反应的方向低温下反应可以自发进行【例】常温下氢氧化亚铁与空气中的氧气及水有可能发生反应，即：Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s)，已知该反应在时的H= 444.3 kJmol，S=.1 Jmol1K1试问该反应在常温下是否自发进行？【解析】根据HS444.3 kJmol103（.1 kJmol1K1）= 360.83 kJmol0，故时反应可自发进行。由于焓变和熵变的作用相反，且二者相差悬殊，焓变对反应的方向起决定性作用，故反应可自发进行。假定温度达到，则HS444.3 kJmol103（.1 kJmol1K1）.9 kJmol0，反应不能自发行。即高温下反应不能自发进行。.第象限符号为“、”（S0、H0）时化学反应的方向所有温度下反应均不能自发进行【例】(g)（s，石墨）/（g），其H.5 kJmolS=.Jmol1K1，试判断该反应在和时反应是否自发进行？【解析】时，HS.5 kJmol103（.kJmol1K1) =137.13 kJmol0，故时反应不能自发进行。时，HS.5 kJmol103（.kJmol1K1) =. kJmol0，故时，反应也不能自发进行。事实上，S0、H0时，仅从符号上进行分析，无论温度如何变化，恒有HS，故化学反应的方向所有温度下反应均不能自发进行。从以上四个象限的情况来看，交叉象限的情况相反相成，第象限（高温下反应自发进行）和第象限（低温下反应自发进行）相反相成，第象限（所有温度下均可自发进行）和第象限（所有温度下反应均不能自发进行）相反相成。分析化学反应的方向的热力学判据是HTS0，而这个判据是温度、压强一定的条件下反应自发进行的趋势，并不能说明反应能否实际发生，因为反应能否实际发生还涉及动力学问题。基础过关化学反应的限度1.可逆反应：在相同条件下同时向正、反两个方向进行的反应称为可逆反应。在可逆反应中使用“ ”。2.化学平衡（状态）：（1）概念：在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，这种状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。（2）特征：逆：化学平衡研究的对象是可逆反应。等：V（正）=V（逆）0动：化学平衡是动态平衡。虽然V（正）=V（逆），但正、逆反应仍在进行。定：反应物和生成物的浓度保持一定。变：外界条件改变，平衡也随之改变。3.化学平衡常数：（1）概念：对于一定条件下的可逆反应（aA+bB cC+dD），达到化学平衡时，生成物浓度的乘幂的乘积与反应物浓度的乘幂的乘积之比为一常数，记作Kc，称为化学平衡常数(浓度平衡常数)。AaBbCcDdKc=（2）数学表达式：pa(A)pb(B)pc(C)pd(D)Kp=如果反应物和生成物均为气体，当达到化学平衡时，将由各物质平衡分压算得的平衡常数称为压强平衡常数。即浓度平衡常数和压强平衡常数均称为化学平衡常数。（3）意义：平衡常数的大小化学反应可能进行的程度（即反应限度）；平衡常数的数值越大，说明反应进行得越完全。（4）影响因素：只与温度有关，而与浓度无关。4.平衡转化率：对于可逆反应aA+bB cC+dD，反应物A的平衡转化率可以表示为：（A）=（c0(A) A）/c0(A)100%5. 反应条件对化学平衡的影响(1)化学平衡移动：一定条件下的可逆反应达到平衡状态以后，反应条件改变，平衡混合物中各组分的浓度也随之发生改变而达到新的平衡状态，这种由一个平衡达到新的平衡的过程称为化学平衡移动。（2）反应条件对化学平衡的影响改变温度：升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动。降低温度，化学平衡向放热反应方向移动。改变浓度：若QcKc，化学平衡正向（向右）移动。若QcKc，化学平衡逆向（向左）移动。改变压强：若QpKp，化学平衡正向（向右）移动。若QpKp，化学平衡逆向（向左）移动。（3）勒夏特列原理：在封闭体系中，如果只改变平衡体系中的一个条件时，平衡将向减弱这个条件改变的方向移动。典型例题【例1】（2010天津卷，10）（14分）二甲醚是一种重要的清洁燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作用。工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚。请回答下列问题： 煤的气化的主要化学反应方程式为：_。 煤的气化过程中产生的有害气体H2S用Na2CO3溶液吸收，生成两种酸式盐，该反应的化学方程式为：_。 利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下： 2H2(g) + CO(g) CH3OH(g)；H 90.8 kJmol1 2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g)；H 23.5 kJmol1 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)；H 41.3 kJmol1 总反应：3H2(g) + 3CO(g) CH3OCH3(g) + CO2 (g)的H _；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以采取的措施是_（填字母代号）。a高温高压 b加入催化剂 c减少CO2的浓度d增加CO的浓度 e分离出二甲醚 已知反应2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g)某温度下的平衡常数为400 。此温度下，在密闭容器中加入CH3OH ，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：物质CH3OHCH3OCH3H2O浓度/（molL1）0.440.60.6 比较此时正、逆反应速率的大小：v正 _ v逆 （填“”、“”或“”)。 若加入CH3OH后，经10 min反应达到平衡，此时c(CH3OH) _；该时间内反应速率v(CH3OH) _。解析：(1)煤生成水煤气的反应为C+H2OCO+H2。(2)既然生成两种酸式盐，应是NaHCO3和NaHS，故方程式为：Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS。(3)观察目标方程式，应是2+，故H=2H1+H2+H3=-246.4kJ mol -1。正反应是放热反应，升高温度平衡左移，CO转化率减小；加入催化剂，平衡不移动，转化率不变；减少CO2的浓度、分离出二甲醚，平衡右移，CO转化率增大；增大CO浓度，平衡右移，但CO转化率降低；故选c、e。(4)此时的浓度商Q=1.86400，反应未达到平衡状态，向正反应方向移动，故正逆；设平衡时生成物的浓度为0.6+x，则甲醇的浓度为（0.44-2x）有：400=，解得x=0.2 molL-1，故0.44 molL-1-2x=0.04 molL-1。由表可知，甲醇的起始浓度度为(0.44+1.2) molL-1=1.64 molL-1，其平衡浓度为0.04 molL-1，10min变化的浓度为1.6 molL-1，故(CH3OH)=0.16 molL-1min-1。答案：(1) C+H2OCO+H2。(2) Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS(3) -246.4kJ mol -1 c、e(4) 0.04 molL-1 0.16 molL-1min-1命题立意：本题是化学反应原理的综合性试题，考查了化学方程式的书写、盖斯定律的应用、化学平衡移动原理，和利用浓度商和平衡常数的关系判断平衡移动的方向、平衡常数和速率的计算等。【例2】（2010四川理综卷，13）反应aM(g)+bN(g) cP(g)+dQ(g)达到平衡时。M的体积分数y(M)与反应条件的关系如图所示。其中：Z表示反应开始时N的物质的量与M的物质的量之比。下列说法正确的是A.同温同压Z时，加入催化剂，平衡时Q的体积分数增加B.同压同Z时，升高温度，平衡时Q的体积分数增加C.同温同Z时，增加压强，平衡时Q的体积分数增加D.同温同压时，增加Z，平衡时Q的体积分数增加。答案：B解析：本题考查了平衡移动原理的应用。A项加入催化剂只能改变反应速率，不会使平衡移动。B项由图像（1）知随着温度的升高M的体积分数降低，说明正反应吸热，所以温度升高平衡正向移动，Q的体积分数增加。C项对比（1）（2）可以看出相同温度条件，压强增大M的体积分数增大，所以正反应是体积缩小的反应，增大压强Q的体积分数减小。D项由C项可以判断D也不对。【巩固练习1】(福建省泉州一中2010届高三上学期期中考试)在1 L密闭容器中，把1 mol A和1 mol B混合发生如下反应：3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g)，当反应达到平衡时，生成0.4 mol D，并测得C的平衡浓度为0.4 molL1，下列叙述中不正确的是 Ax的值为2 BA的转化率为40% CB的平衡浓度为0.8 molL1 DD的体积分数为20%答案 B【巩固练习2】（贵州省巴结中学2010届高三10月月考）某体积可变的密闭容器，盛有适量的A和B的混合气体，在一定条件下发生反应： ，若维持温度和压强不变，当达到平衡时，容器的体积为VL，其中C气体的体积占10，下列推断正确 （ ）原混合气体体积为1.2VL； 原混合气体的体积为1.1VL； 反应达平衡时气体A消耗0.05VL； 反应达平衡时气体B消耗掉0.05VL。 A B CD答案 A【巩固练习3】（重庆西南师大附中2010年上学期期末考试）T时，A气体与B气体反应生成C气体。反应过程中A、B、C物质的量变化如图（）所示；若保持其他条件不变，温度分别为T1和T2时，B的体积分数与时间的关系如图（）所示，则下列结论正确的是（ ）0.90.60.40.34BCA物质的量（mol）时间t10()A在（t1+1）min时，保持其他条件不变，增大压强，平衡向逆反应方向移动B在（t1+1）min时，保持容器总压强不变，通入稀有气体，平衡向正反应方向移动C不再增减物质，只改变压强或温度时，A的体积分数V(A)%变化范围为25%V(A)%40%D其他条件不变，升高温度，正、逆反应速率均增大，且A的转化率增大答案 C基础过关反应速率与限度理论在化工生产上的应用1.合成氨的反应原理：N2（g）+3H2（g） 2NH3（g）298K时，H=92.2kJmol1特点：合成氨是一个气体体积缩小的放热的可逆反应。2.合成氨适宜条件的选择（1）选择依据：从提高反应速率的角度分析，提高反应温度、使用催化剂、适当提高氮氢比；从平衡移动的角度分析，降低温度、提高压强和适时分离反应产物氨；从实际生产的角度分析，温度和压强要与生产实际相适应。（2）选择原则：能加快反应速率；提高原料的利用率；提高单位时间内的产量；对设备条件要求不能太高。（3）合成氨的适宜条件：使用催化剂；适宜的压强：21075107Pa；适宜的温度：500左右；及时分离出氨和及时补充氮气和氢气。原料气的制备净化压缩合成分离液氨氮气、氢气的循环使用（4）合成氨的简要流程：典型例题【例1】（2010安徽卷）低脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为：2NH2（g）NO（g）NH2（g）2H3（g）3H2O（g） H0在恒容的密闭容器中，下列有关说法正确的是A.平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大B.平衡时，其他条件不变，增加NH3的浓度，废气中氮氧化物的转化率减小C.单位时间内消耗NO和N2的物质的量比为12时，反应达到平衡D.其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的转化率增大答案：C解析：A选项，放热反应升温平衡常数减小，错误；增大一个反应物浓度另一反应物转化率增大，B错；使用催化剂平衡不移动，D错。【例2】（2010重庆卷）（15分）某兴趣小组用题27图装置探究氨的催化氧化（1）氨催化氧化的化学方程式为_（2）加热玻璃管2一段时间后，挤压1中打气球鼓入空气，观察到2中物质呈红热状态；停止加热后仍能保持红热，该反应是_反应（填“吸热”或“放热”）（3）为保证在装置4中观察到红棕色气体，装置3应装入_；若取消3，在4中仅观察到大量白烟，原因是_（4）为实现氨催化氧化，也可用装置5替换装置_（填装置代号）；化合物X为_（只写一种），Na2O2的作用是_答案（15分）（1）4NH3+5O24NO+6H2O（2）放热（3）浓H2SO4；生成的NO与O2反应生成NO2,NO2与水反应生成HNO3，NH3与HNO3反应生成了 (4)I; 与HCL反应生成氧气（合理答案均给分）【解析】本题考查氨的催化氧化。（1）和氧化生成。（2）该反应为放热，故不加热后仍能保持红热状态。（3）产物中有和，会被氧化生成，在于空气中的水蒸气反应生成,而与会产生白烟。（4）装置5与1均产生科产生。加热分解可得和HCL,而HCL与可生成。【例3】（2008广东24）科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在常温、常压、光照条件下，N2在催化剂（掺有少量Fe2O3的TiO2）表面与水发生反应，生成的主要产物为NH3。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表（光照、N2压力1.0105 Pa、反应时间3 h）:T/K303313323353NH3生成量/（10-6 mol）4.85.96.02.0相应的热化学方程式如下：N2(g)+3H2O(l) 2NH3(g)+O2(g)H=+765.2 kJmol-1回答下列问题：（1）请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。（2）与目前广泛使用的工业合成氨方法相比