高考化学一轮专项复习讲义-化学反应的方向与调控（含解析）

化学反应的方向与调控

［复习目标］1.知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焰变和嫡变有关。

2.认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。

考点一化学反应的方向

■整合

1.自发反应

在一定条件下，无需外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。

2.炳和病变的含义

⑴端的含义

度量体系混乱程度的物理量，符号为嫡值越大，体系混乱度越大。同一条件下，不同物

质有不同的货商值；同一种物质在不同状态下嫡值也不同，一般规律是S(g)步⑴巳S(s)。

(2)嫡变的含义

AS=S(生成物)一S(反应物)。化学反应的AS越大，越有利于反应自发进行。

3.判断化学反应方向的判据

AGO时，反应能自发进行；

AG=0时，反应处于平衡状态;

AG>0时，反应不能自发进行。

五易错辨析

1.同一物质的固、液、气三种状态的嫡值相同()

2.非自发反应，一定条件下也能使其反应发生()

3.在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向()

4.需要加热才能够进行的反应，肯定不是自发反应()

5.A/MO,AA0的反应在温度低时不能自发进行()

6.一定温度下，反应MgCb(l)Mg(l)+Cb(g)的A/AO、A5>0()

7.反应NH3(g)+HCl(g)=NH4CKs)在室温下可自发进行，则该反应的△/次()()

答案1.X2.V3.X4.X5.X6.V7.V

■提升关键能力

综合判断化学反应的自发性

1.(2022•浙江1月选考，20)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为

AB(s)=A"+(aq)+B「(aq),其焰变和婚变分别为△”和AS。对于不同组成的AB型强电解质，

下列说法正确的是()

A.A8和AS均大于零

B.M■和AS均小于零

C.Mr可能大于零或小于零，AS大于零

D.A/f和AS均可能大于零或小于零

答案D

解析强电解质溶于水有的放热，如硫酸铜等；有的吸热，如碳酸氢钠等，所以在水中溶解

对应的△〃可能大于零或小于零。滴表示系统混乱程度，体系越混乱，则嫡越大。AB型强电

解质固体溶于水，存在燃的变化，固体转化为离子，混乱度是增加的，但离子在水中存在水

合过程，这样会引发水的混乱度的变化，让水分子会更加规则，即水的混乱度下降，所以整

个溶解过程的端变AS取决于固体转化为离子的嫌增与水合过程的M减两个作用的相对大小

关系，若是前者占主导，则整个溶解过程靖增，即AS>0,反之，靖减，即AS<0。

2.(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)=2C(s)+O2(g)=

已知该反应的A〃>0,简述该设想能否实现的依据：

(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术

将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2,化学方程式为2NO+2co2cO2+N2。反应能

够自发进行，则反应的0(填“>”或“=")，理由是

1

(3)已知CaS04(s)+C0(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g)+218kJ-mol_,该反应能够自

发进行的反应条件是o

答案⑴不能实现，因为该反应的AS<0,AG>0,反应不可能自发进行该

反应的AS<0,因该反应能自发进行，根据AG=AH-TAS<0可知(3)高温

3.[2022•湖南，17(1)]已知AG=A〃-TAS,AG的值只决定于反应体系的始态和终态，忽略

△H、AS随温度的变化。若AGO,则该反应可以自发进行。根据下图判断：600°C时，下列

反应不能自发进行的是。

300

7200型也④=TiCl：(g)+o/g)

O一I..........i.....................

F100

工

)0

9、

V-300

C(s)+O2(g)=CO；(g)

-500

50060070080090010001100

温度代

A.C(s)+O2(g)=CO2(g)

B.2C(s)+O2(g)=2CO(g)

C.TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g)

D.TiO2(s)+C(s)+2C12(g)=TiCl4(g)+CO2(g)

答案C

解析由图可知，600°C时C(s)+O2(g)==CO2(g)的AGO,反应自发进行，故A不符合题意;

600℃时2c(s)+O2(g)=2CO(g)的AGO,反应自发进行，故B不符合题意；600℃时TiC)2(s)

+2C12(g)==TiC14(g)+O2(g)的AG>0,反应不能自发进行，故C符合题意；根据盖斯定律，

TiO2(s)+C(s)+2C12(g)=TiCl4(g)+CO2(g)可由A+C得到，且由图中数据可知600℃时其

AGO,反应自发进行，故D不符合题意。

考点二化学反应的调控——工业合成氨

■整合必备知识

1.化工生产适宜条件选择的一般原则

条件原则

从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢

既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意

从化学平衡移动分析

对二者影响的矛盾性

增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降

从原料的利用率分析

低生产成本

从实际生产能力分析如设备承受高温、高压能力等

从催化剂的使用活性分析注意催化剂的活性受温度的限制

2.控制反应条件的基本措施

(1)控制化学反应速率的措施

通过改变反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)、固体的表面积以及使用催化

剂等途径调控反应速率。

(2)提高转化率的措施

通过改变可逆反应体系的温度、溶液的浓度、气体的压强(或浓度)等改变可逆反应的限度，

从而提高转化率。

■提升关键能力

一、工业合成氨适宜条件选择

1.如图是工业合成氨的工艺，根据流程解答下列问题:

液态NH,NH3+N2+H2

(1)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,其热化学方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

△〃=—92.4kJ-mori,结合反应的化学方程式分析哪些措施可以提高合成氨的反应速率？哪

些措施可以提高氮气或氢气的转化率？

提示升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速

率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度或减小生成物浓度等有利于提高氮气或氢气

的转化率。

(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂。

①铁触媒加快化学反应速率的原因是什么？

提示使用铁触媒作催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，提高了活化分子的百分

数，有效碰撞次数增加，反应速率加快。

②铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗？简述理由。

提示不能。因为催化剂对化学平衡无影响。

③铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？

提示能。因为实际合成氨过程为非平衡状态下进行，反应速率大，单位时间里生产的氨气

的量多。

(3)合成氨时选择500。。而不采用常温主要考虑什么因素？

提示考虑速率因素，500℃时催化剂的催化活性最好。

⑷合成氨时一般采用的压强为10MPa~30MPa的原因是什么？

提示合成氨时增大压强尽管可以同时提高反应速率和反应物的转化率。但是，压强越大，

对材料的强度和设备的要求也越高，增加生产投资将降低综合经济效益。

(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施？

提示使氨气冷却成液氨并及时分离，分离后的原料气循环使用。

■归纳总结

外部条件工业合成氨的适宜条件

压强根据反应器可使用钢材的质量及综合指标来选择压强

温度适宜温度，700K左右

催化剂使用铁触媒做催化剂(为防止催化剂中毒，原料气要净化处理)

浓度N2和H2的物质的量之比为1：2.8的投料比，将氨及时地从混合气中分离出来

二、综合分析其他工业生产的适宜条件

2.钾是一种活泼的金属，工业上通常用金属钠和氯化钾在高温下反应制取。该反应为Na(l)

+KC1(1)NaCl(l)+K(g)A^>0o

该反应的平衡常数可表示为K=c(K),各物质的沸点与压强的关系见下表：

压强/kPa13.3353.32101.3

K的沸点/℃590710770

Na的沸点/℃700830890

NaCl的沸点/℃一一1437

KC1的沸点/℃一—1465

(1)在常压下金属钾转变为气态从反应混合物中分离的最低温度约为,而反应的最高

温度应低于o

(2)制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施是=

(3)常压下，当反应温度升高到900°C时，该反应的平衡常数可表示为0

答案(1)770℃890℃(2)降低压强或移去钾蒸气、适当升高温度(3/=旦玲

c(Na)

3.(2023•河南新乡模拟)甲烷化反应即为氢气和碳氧化物反应生成甲烷，有利于实现碳循环利

用。

已知涉及的反应如下：

1

反应I：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)A^i=-206.2kJmor

反应II：CO(g)+H2O(g)CC)2(g)+H2(g)NHi

1

反应m：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)A/73=-165.0kJmor

积碳反应(CO的歧化反应和CH4的裂解反应是催化剂积碳的主要成因)：2CO(g)CO2(g)

+C(s)(反应W)；CH4(g)C(s)+2H2(g)(反应V)。

回答下列问题:

(1)AH2kJmor'o

(2)在360℃时，在固定容积的容器中进行上述反应(不考虑积碳反应)，平衡时CO和H2的转

化率及CH4和CO2的产率随必1垃变化的情况如图1所示。

①图中表示CO转化率、C出产率变化的曲线分别是.(填字母)，A、C两

点皿1的值相同，c点通过改变温度达到A点，则A、B、C三点温度由大到小的顺序是

«(CO)

②按皿1=3：1向恒容容器内投料，初始压强为外，若仅发生I、II两个反应，达到平衡

"(CO)

时总压为驷，CO的平衡转化率为0,则CH4的选择性=%[CH4的选择性=

4

"W-X100%]；反应I的Kp=(用平衡分压表示，分压=总压X物质的量

n(CO2)+n(CH4)------------

分数)。

(3)已知各反应的平衡常数随温度的变化曲线如图2所示，相同时间内甲烷产率随温度升高的

变化曲线如图3。

图2

CH&产率/%

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0温度/t

200250300350400450500550600

图3

由图2可知，CO的歧化反应属于(填“吸热”或“放热”)反应，相同时间内CH4

的产率在温度高于330℃时降低的可能原因之一是催化剂活性降低，高温导致催化剂活性降

低的原因是

答案(1)-41.2(2)®bcB=C>A②却——~;(3)放热高温时，积碳反应主

a(l+a)3Xpg

要发生CH4裂解，导致催化剂积碳，活性降低

1

解析(1)根据盖斯定律知，反应11=反应I一反应III,A7/2=A//I-A//3=-206.2kJ-moF

—(—165.0kJ，mo「i)=—41.2kJmoP'o

(2)①结合反应，也垃越大，CO转化率越大，直到接近100%,故b表示CO转化率变化的

〃(CO)

曲线；随着迪D的增大，CO接近完全转化，CH4产率逐渐增大，直到接近100%,故c表

〃(CO)

示CH4产率变化的曲线；b表示CO转化率变化的曲线，B、C均在曲线b上，温度：B=C,

结合反应I、II,两反应均为放热反应，则温度越低CO转化率越高，A点转化率高于C,

故温度：B=C>Ao

②设起始投料〃(CO)=〃mol,则«(H2)=3Mmol,列出反应I三段式:

CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)

起始/moln3n00

转化/molX3xXX

平衡/moln-x3n~3xXX

反应II前后气体体积不变，反应I前后总物质的量减少2xmol,根据初始压强为po,达到平

x+x+〃-x+3〃-3x3

衡时总压为则解得x=0.5〃；CO的平衡转化率为Q,列出反应

4〃4,

II三段式:

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

起始/mol0.5〃0.5〃01.5n

转化/molna~0.5nna~0.5nna—0.5〃na~0.5n

平衡/moln(\~a)w(l—a)〃(Q—0.5)«(1+Q)

则CH4的选择性=-----------X100%=—%;平衡时，C0的分压为"（l—"）x3po=

（q—0.5）〃+0.5〃a3〃4

（1—"）叫出的分压为"（1+"）><320=（1+。）。。、CH4的分压为g1义乡外二次、H2O的分压为

43〃443n48

(l-a>opo

,^^88

〃(1-Q)x/3(1-Q)/70

x70=反应［的Kp=Fz_i_、n—~~o

3n4(I-MXT10、Q+不义而

4

课时精练

1.25°C、1.01X105pa时，反应2N2O5（g）=4NO2（g）+O2（g）AH=+109.8kJ-mor1,该反

应能自发进行的原因是（）

A.该反应是吸热反应

B.该反应是放热反应

C.该反应是熠减小的反应

D.该反应的燧增大效应大于能量效应

答案D

2.下列反应在任何温度下均能自发进行的是（）

A.2N2（g）+O2（g）=2N2O（g）AH=+16kJmo「

B.Ag（s）+^C12（g）^=AgCl（s）AH——127kJmol1

C.HgO（s）^=Hg（l）+^O2（g）A//=+91kJmol1

D.H2O2（l）=1o2（g）+H2O（1）AH=-98kJmor'

答案D

解析A项，NH>0,ASO,在任何温度下，AH-TAS>0,即任何温度下反应都不能自发进

行；B项，AH<0,AS<0,低温下反应能自发进行；C项，AH>0,A1s>0,较高温度时能自发

进行；D项，NH<0,A5>0,在任何温度下，NH-TNS<0,即在任何温度下反应均能自发进

行。

3.下列对化学反应的预测正确的是（）

选项化学方程式己知条件预测

AA(s)=B(g)+C(s)AH>0它一定是非自发反应

BA(g)+2B(g)=2C(g)+3D(g)能自发反应A〃一定小于0

CM(s)+aN(g)=2Q(g)AH<0,自发反应。可能等于1、2、3

DM(s)+N(g)=2Q(s)常温下，自发进行A/7>0

答案C

解析A(s)=B(g)+C(s)的AS>0,KH>0,在高温条件下能自发进行，故A错误；A(g)+

2B(g)=2C(g)+3D(g)的AS>0,所以当A/fVO时，一定满足A/f—TASVO,反应一定能够自

发进行，当时，高温下，7As<0成立，也可以自发进行，故B错误：M(s)+

N(g)=2Q(s)的AS<0,当AH>0时，AH~TAS>0,一定不能自发进行，故D错误。

4.合成氨反应达到平衡时，NIL的体积分数与温度、压强的关系如图所示。根据此图分析合

成氨工业最有前途的研究方向是()

瞬

东

生

投

g

E

N

O

A.提高分离技术

B.研制耐高压的合成塔

C.研制低温催化剂

D.探索不用N?和H2合成氨的新途径

答案C

解析由题图可知，NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数,

必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒的活性最高时的温度为500℃,故最有前途的研究

方向为研制低温催化剂。

5.(2023•青岛一模)2007年诺贝尔化学奖颁给了德国化学家格哈德・埃特尔(GerhardErtl),以

表彰他在固体表面化学研究中取得的开拓性成就。他的成就之一是证实了氢气与氮气在固体

催化剂表面合成氨气的反应过程，模拟示意图如图。关于合成氨工艺，下列说法正确的是

()

图①图②

现99落9―叙提,以吸/

图③图④图⑤

20、60、念(分别代表NZ、H2、NH3)

A.图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反应热

B.反应中有极性键的断裂与形成

C.当温度、体积一定时，在原料气中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率

D.合成氨反应使用的条件高温、高压是为了提高反应物的平衡转化率

答案A

解析图①到图③为氮气和氢气中的化学键断裂的过程，图⑤到图③为氮气中化学键断裂的

过程，故图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反应热，A正确；

该反应过程中只有非极性键的断裂和极性键的形成，B错误；当温度、体积一定时，在原料

气中添加少量惰性气体不影响各组分的浓度，因此不影响平衡，不能提高平衡转化率，C错

误；合成氨的反应是气体总体积减小的放热反应，故高压是为了提高反应物的平衡转化率，

但高温不是为了提高转化率，D错误。

6.已知体系自由能变化AG=AH-7AS,AG<0时反应能自发进行，两个氢化反应的AG与温

度的关系如图所示，下列说法正确的是（）

8o

7

O4o

E

・o

工

)4o

9、-

V-8O

20040060080010001200

温度/七

A.反应①的ASO

B.反应②在600℃时的反应速率很快

C.温度大于1000°C时，反应①能自发进行

D.反应②的A/7>0

答案C

解析反应①随温度的升高，AG逐渐减小，则AS>0,故A错误；该题可以推测自发反应时

的温度，但无法推测什么温度的反应速率快慢，故B错误；反应①在温度大于1000℃时47<0,

故此时反应①能自发进行，故C正确；根据图像和数学知识可知，反应②的△〃<（）,故D错

、口

快1O

7.在密闭容器中投入一定量反应物发生储氢反应：LaNi5（s）+3H2（g）LaNi5H6（s）AH=~

301kJmoF'o在某温度下，达到平衡状态，测得氢气压强为2MPa。下列说法不正确的是

（）

A.当LaNis的浓度不再变化时，该反应达到平衡状态

B.若温度不变，缩小容器的容积至原来的一半，重新达到平衡时H?的压强等于2MPa

C.扩大容器的容积，重新达到平衡时"（上）增多

D.增大压强，降低温度，有利于储氢

答案A

解析LaNis是固体，不能根据固体的浓度不变判断反应达到平衡状态，A错误；温度不变,

缩小容器的容积至原来的一半，平衡常数Kp=一'—不变，则重新达到平衡时H2的压强仍为

曲山）

2MPa,B正确；扩大容器的容积，相当于减小压强，平衡向逆反应方向移动，则"(H2)增多，

C正确；该反应的正反应是气体分子总数减小的放热反应，因此增大压强、降低温度，平衡

正向移动，有利于储氢，D正确。

8.已知反应：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)=起始以物质的量之比为1：1充入反应物,

不同压强条件下，论的平衡转化率随温度的变化情况如图所示(M、N点标记为上)。下列有关

说法正确的是()

100

90

80

70

60

50

40

350400500600700800

温度/K

A.上述反应的

B.N点时的反应速率一定比M点的快

C.降低温度，H2的转化率可达到100%

D.工业上用此法制取甲烷应采用更高的压强

答案A

解析根据题图，随着温度的升高，比的平衡转化率降低，说明平衡向逆反应方向移动，故

正反应为放热反应，即A/MO,A项正确；N点压强大于M点，M点温度高于N点，因此无

法确定两点反应速率的快慢，B项错误；此反应是可逆反应，不能完全进行到底，C项错误;

采用更高的压强对设备的要求更高，增加经济成本，D项错误。

9.将金红石(TiCh)转化为TiC14是生产金属钛的关键步骤。在1.0X105pa,将TiCh、C、Cl2

以物质的量之比为1:2：2进行反应，平衡体系中主要物质的物质的量分数(x)随温度变化理

论计算结果如图所示。

Q7

S6

K(

)S5

繇

东S4

姗

S3

三

眼S2

昼

1

0.

02004006008001000120014001600

温度”

下列说法不正确的是()

A.200〜1600℃反应达到平衡时，TiO2的转化率均已接近100%

B.将400°C时的平衡体系加热至800℃,平衡C⑸+CO2(g)2co(g)向正反应方向移动

C.1000℃时，测得某时刻x(TiC14)=0.2。其他条件不变，延长反应时间能使x(TiC14)超过该

温度下平衡时的MTiCL)

D.实际生产时反应温度选择900℃而不选择200°C,其主要原因是900°C比200℃时化学

反应速率更快，生产效益更高

答案c

解析在1.0X105Pa,将TiC>2、c、。2以物质的量之比为1：2：2进行反应：TiO2+2C+

2Cl2=^=TiCl4+2CO,三者完全反应时，生成TiCl4>CO的物质的量之比为1：2,此时TiCL(

的物质的量分数约为33.3%,结合图像可知，200〜1600°。反应达到平衡时，TiCL的物质的

量分数约为33.3%,则TiO2转化率均已接近100%,A正确；结合图像可知，将400℃时的

平衡体系加热至800℃,二氧化碳含量减小、一氧化碳含量增加，则平衡C(s)+

CO2(g)2co(g)向正反应方向移动，B正确；延长时间不能改变平衡时物质的转化率，C

错误。

10.(1)[2021•浙江6月选考，29(1)]实验室可用铜与浓硫酸反应制备少量SO2：Cu(s)+

1

2H2SO4(1)=CUSO4(S)+SO2(g)+2H2O(1)kJ-moP,判断该反应的自发性并说明

理由：=

(2)[2021•湖南，16(1)(2)]氨热分解法制氢气

相关化学键的键能数据

化学键N三NH—HN—H

键能E/(kJ-mo「)946436.0390.8

在一定温度下，利用催化剂将NH3分解为N2和H2。回答下列问题：

1

①反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)NH=kJ-moF-

②己知该反应的AS=198.9Jnol-LK-i,在下列哪些温度下反应能自发进行？

____________(填字母)。

A.25℃B.125℃C.225℃D.325℃

答案(1)任何温度下都能自发进行，是因为A〃<0、A5>0

⑵①+90.8②CD

解析(2)①根据反应热=反应物的总键能一生成物的总键能，2NH3(g)N2(g)+3H2(g)

A//=390.8kJmol_1X3X2-(946kJmor1+436.0kJmor1X3)=+90.8kJmor1o

②若反应自发进行，则需AH-TASO,7>—=90-8X1°3J，tno1-^456.5K,即温度应高于

AS198.9Jmor^K-1

(456.5-273)℃=183.5℃。

1a

11.N2和H2生成NH3的反应为:N2(g)+：H2(g)NH3(g)AH(298K)=-46.2kJ-moP'o

请回答:

（1）有利于提高合成氨平衡产率的条件有（填字母）。

A.低温B.高温C.低压D.高压E.催化剂

⑵夕以、夕用、PH,为各组分的平衡分压，如夕n=/为。，。为平衡总压，石码为平衡系

统中氨气的物质的量分数，Nz、比起始物质的量之比是1:3,反应在恒定温度和总压强p（单

位是Pa）下进行，NH3的平衡产率是以，用分压代替物质的量浓度计算平衡常数七=

4(4/(2—(A/)

答案(1)AD(2)

3廊(1—助2

1Q

解析（2）由题意知，设起始〃（N2）=：mol,"32）=：mol,列三段式:

13

2N2(g)+|H2(g)NH3(g)

13

起始/mol--0

22

w3

转化/mol—~ww

22

iw33

平衡/mol——-----ww

2222

442—(A7)

3®(1-面

12.[2020•全国卷I,28（2）（4）]硫酸是一种重要的基本化工产品，接触法制硫酸生产中的关键

工序是SO2的催化氧化：S02（g）+[02（g）—遮鲤-S03（g）AH=-98kJ-mol'o回答下列问

题：

（2）当S02（g）、02（g）和N2（g）起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时，在0.5MPa、

2.5MPa和5.0MPa压强下，SCh平衡转化率a随温度的变化如图（b）所示。反应在5.0MPa、

550℃时的a=,判断的依据是o

影响a的因素有。

（4）研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为：kk©--1）08（1—"，）。式中：力为反应速

a

率常数，随温度/升高而增大；a为SO2平衡转化率，a'为某时刻SO2转化率