2026高考化学一轮复习 第43讲　化学反应的方向与调控学案

第43讲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焓变和熵变有关。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.熵和熵变(1)熵是度量体系混乱程度的物理量，符号为S。熵值越大，体系混乱度越大。(2)影响熵大小的因素①相同条件下，物质不同熵不同。②同一物质：S(g)＞S(l)＞S(s)。(3)熵变ΔS＝S(生成物)－S(反应物)。化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行。【微思考1】下列对熵的理解正确的是(填序号)。①等质量的同种物质气态时熵值最大，固态时熵值最小②体系越有序，熵值越小；越混乱，熵值越大③与外界隔离的体系，自发过程将导致体系的熵增大④25℃、1.01×105Pa时，2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)提示：①②③3.判断化学反应方向的判据ΔG＝ΔH－TΔSΔG＜0时，反应能自发进行；ΔG＝0时，反应处于平衡状态；ΔG＞0时，反应不能自发进行。【微思考2】已知，ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG的值只取决于反应体系的始态和终态，忽略ΔH、ΔS随温度的变化。若ΔG＜0，则该反应可以自发进行。(1)600℃时，下图反应能自发进行的是(填序号)。(2)500℃～1100℃下，反应TiO2(s)＋C(s)＋2Cl2(g)TiCl4(g)＋CO2(g)(填“能”或“不能”)提示：(1)②③(2)能1.下列有关化学反应方向及其判据的说法中错误的是()A.1molH2O在不同状态时的熵值：S[H2O(l)]＜S[H2O(g)]B.反应CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)ΔH＞0C.H2O2分解和HClO分解均是自发过程，故这两个反应的ΔH和ΔS的变化相同D.常温下，反应4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(l)4Fe(OH)3(s)能自发进行，则该反应的ΔH＜答案：C解析：同一物质聚集状态不同熵值不同，熵值：气态＞液态＞固态，1molH2O在不同状态时的熵值：S[H2O(l)]＜S[H2O(g)]，故A正确；CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)ΔH＞0，ΔS＞0，ΔH－TΔS＜0时能自发进行，因此，能否自发进行与温度有关，故B正确；反应自发只能说明ΔH－TΔS＜0，不能说明ΔH和ΔS的变化相同，故C错误；反应物有4mol固体、2mol液态物质、1mol气体物质，生成物只有固体，ΔS＜0，若能自发进行，ΔH－TΔS＜0，则ΔH必须小于0，故D2.(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ΔH＞0，简述该设想能否实现及依据：(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(g)＋2CO(g)⥬2CO2(g)＋N2(g)。反应能够自发学生用书⬇第238页进行，则反应的ΔH0(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是。(3)已知CaSO4(s)＋CO(g)⇌CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)ΔH＝＋218kJ·mol－1，该反应能够自发进行的反应条件是。答案：(1)不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，ΔG＞0，反应不可能自发进行(2)＜该反应的ΔS＜0，因该反应能自发进行，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0可知ΔH＜0(3)高温3.在C和O2的反应体系中：反应①：C(s)＋O2(g)CO2(g) ΔH1＝－394kJ·mol－反应②：2CO(g)＋O2(g)2CO2(g) ΔH2＝－566kJ·mol－反应③：2C(s)＋O2(g)2CO(g)ΔH设y＝ΔH－TΔS，反应①②和③的y随温度T的变化关系如图所示。图中对应反应③的线条是(填字母)。答案：a考点二化学反应的调控——工业合成氨1.合成氨反应的特点N2(g)＋3H2(g)⥬2NH3(g)ΔH＝－92.2kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·K－1·mol－1。2.合成氨反应的理论分析条件提高反应速率提高平衡转化率压强高压高压温度高温低温催化剂使用无影响浓度增大氮气或氢气的浓度增大氮气或氢气的浓度，降低氨气的浓度3.工业合成氨的适宜条件影响因素适宜条件温度反应温度控制在400℃～500℃压强10MPa～30MPa催化剂选择铁触媒做催化剂浓度①N2、H2投料比为1∶2.8；②氨及时从混合气中分离出去；③剩余气体循环使用4.合成氨工业的简要流程(1)原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气等)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为C＋H2O(g)高温CO＋CO＋H2O(g)催化剂CO2＋(2)制得的N2、H2需净化、除杂质，再用压缩机压缩至高压。(3)氨的合成：在适宜的条件下，在合成塔中进行。(4)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，为提高原料的利用率，将没有完全反应的N2和H2送入合成塔循环，使其被充分利用。【微思考】(1)在一定温度和压强下，反应物氮气和氢气的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高，为何实际投料比为1∶2.8？提示：氮气在催化剂上的吸附为合成氨催化历程中最慢的步骤，也是影响速率的关键步骤。实验表明，适当提高氮气的比例，使氮气和氢气的体积比为1∶2.8时，更能加快合成氨反应的进行。(2)合成氨时为何没有采用更高的压强来提高速率和转化率？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。学生用书⬇第239页工业合成氨适宜条件选择1.(2024·宁德区域性学业质检)关于合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⥬2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，下列说法不正确的是()A.使用高效催化剂能减小反应活化能B.为了提高原料利用率，N2和H2循环使用C.工业合成氨温度为700K是因为升高温度有利于提高H2的平衡转化率D.恒温恒容下，若体系的总压强不再改变，说明该反应已达平衡状态答案：C解析：使用高效催化剂能降低反应活化能，加快反应速率，故A正确；合成氨工业，N2和H2循环使用可以提高原料利用率，故B正确；N2(g)＋3H2(g)⥬2NH3(g)的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，H2的平衡转化率降低，工业合成氨温度为700K是为了加快反应速率，故C错误；N2(g)＋3H2(g)⥬2NH3(g)反应前后气体化学计量数之和不同，恒温恒容下，压强是变量，若体系的总压强不再改变，说明该反应已达平衡状态，故D正确。综合分析其他工业生产的适宜条件2.化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生反应：TaS2(s)＋2I2(g)⥬TaI4(g)＋S2(g)ΔH＞0(Ⅰ)。如图所示，反应(Ⅰ)在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1T2(填“＞”“＜”或“＝”)。上述反应体系中循环使用的物质是。(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)⥬CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是。答案：(1)＜I2(2)＜在1.3×104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加3.“丁烯裂解法”是另一种重要的丙烯生产法，在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下：主反应：3C4H8(g)催化剂4C3H6(g)副反应：C4H8(g)催化剂2C2H4(g)测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(w)随温度(T)和压强(p)变化的趋势分别如图甲和图乙所示：(1)平衡体系中的C3H6(g)和C2H4(g)的质量比是工业生产C3H6(g)时选择反应条件的重要依据之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，据图甲和图乙判断，反应条件应选择下列中的(填字母)。A.300℃、0.1MPa B.700℃、0.1MPaC.300℃、0.5MPa D.700℃、0.5MPa(2)有研究者结合图甲数据并综合考虑各种因素，认为450℃的反应温度比300℃或700℃更合适，从反应原理角度分析其理由可能是。答案：(1)C(2)450℃时反应速率较快，C3H6转化率达到最大且副反应进行程度不大解析：(1)由题图甲可知，300℃时C2H4(g)的质量分数接近于0，而温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，故选择300℃；由题图乙可知，压强增大，C2H4(g)的质量分数减小，C3H6(g)的质量分数增大，故选0.5MPa，因此控制反应条件为300℃、0.5MPa。(2)温度越低，反应速率越慢，由题图甲可知，300℃时反应速率慢；温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，700℃的副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率。而450℃时，C3H6(g)的质量分数达到最大值，且C2H4(g)的质量分数在10％左右，产物中C3H6(g)的含量较高，故450℃更合适。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，又不能太慢从化学平衡移动分析既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性从原料的利用率分析增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降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学生用书⬇第240页1.(2024·黑吉辽卷节选)为实现氯资源循环利用，工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气：2HCl(g)＋12O2(g)⥬Cl2(g)＋H2O(g)ΔH1＝－57.2kJ·mol－1ΔSK。将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中，在360℃、400℃和440℃下反应，通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线，如下图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)回答下列问题：(1)ΔS0(填“＞”或“＜”)；T3＝℃。(2)下列措施可提高M点HCl转化率的是(填字母)。A.增大HCl的流速 B.将温度升高40℃C.增大n(HCl)∶n(O2) D.使用更高效的催化剂(3)图中较高流速时，α(T3)小于α(T2)和α(T1)，原因是。答案：(1)＜360(2)BD(3)流速过快，反应物分子来不及在催化剂表面接触而发生反应，导致转化率下降，同时，T3温度低，反应速率低，故单位时间内氯化氢的转化率低解析：(1)反应2HCl(g)＋12O2(g)⥬Cl2(g)＋H2O(g)前后的气体分子数目减小，所以该反应ΔS＜0，该反应为放热反应，由于在流速较低时的转化率视为平衡转化率，由题图可知在流速低的时候，温度越高，HCl的转化率越小，故T1代表的温度为440℃，T3为360℃。(2)A项，增大HCl的流速，由题图1可知，HCl的转化率在减小，不符合题意；B项，M点对应温度为360℃，由题图1可知，升高温度，HCl的转化率增大，符合题意；C项，由题图1和2可知，增大n(HCl)∶n(O2)，HCl的转化率减小，不符合题意；D项，M点未处于平衡状态，使用高效催化剂，可以增加该温度下的反应速率，使M点HCl的转化率增加，符合题意。(3)图中在较高流速下，T3温度下的转化率低于温度较高的T1和T2，主要是流速过快，反应物分子来不及在催化剂表面接触而发生反应，导致转化率下降，同时，T3温度低，反应速率低，2.(2023·辽宁卷节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化：SO2(g)＋12O2(g)⥬SO3(gΔH＝－98.9kJ·mol－1(1)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图甲所示，下列说法正确的是(填字母)。a.温度越高，反应速率越大b.α＝0.88的曲线代表平衡转化率c.α越大，反应速率最大值对应温度越低d.可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度(2)为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和转化率关系如图乙所示，催化性能最佳的是(填字母)。答案：(1)cd(2)d解析：(1)根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出，随着温度的升高反应速率先加快后减慢，a错误；从题图甲中所给出的速率曲线可以看出，相同温度下，转化率越低反应速率越快，但在转化率小于88％时的反应速率图像并没有给出，无法判断α＝0.88的条件下是平衡转化率，b错误；从题图甲可以看出随着转化率的增大，最大反应速率不断减小，最大反应速率出现的温度也逐渐降低，c正确；从题图甲可以看出随着转化率的增大，最大反应速率出现的温度逐渐降低，这时可以根据不同转化率选择合适的反应温度以减少能源的消耗，d正确。(2)从题图乙中可以看出标号为d的催化剂V-K-Cs-Ce对SO2的催化效果最好。课时测评43化学反应的方向与调控对应学生(时间：45分钟满分：60分)(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)选择题1－8题，每小题4分，共32分。1.相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较合理的是()A.1molCH4(g)＜1molH2(g)B.1molH2O(g)＜2molH2O(g)C.1molH2O(s)＞1molH2O(l)D.1molC(金刚石，s)＞1molC(石墨，s)答案：B解析：CH4(g)和H2(g)物质的量相同，且均为气态，CH4(g)含有的原子总数多，CH4(g)的摩尔质量大，所以熵值：1molCH4(g)＞1molH2(g)，A错误；相同状态的相同物质，物质的量越大，熵值越大，所以熵值：1molH2O(g)＜2molH2O(g)，B正确；等量的同种物质，熵值关系为S(g)＞S(l)＞S(s)，所以熵值：1molH2O(s)＜1molH2O(l)，C错误；从金刚石和石墨的结构组成上来看，金刚石的微观结构更有序，熵值更低，所以熵值：1molC(金刚石，s)＜1molC(石墨，s)，D错误。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) ΔH＝＋16kJ·mol－B.Ag(s)＋12Cl2(g)AgCl(s) ΔH＝－127kJ·molC.HgO(s)Hg(l)＋12O2(g) ΔH＝＋91kJ·molD.H2O2(l)12O2(g)＋H2O(l) ΔH＝－98kJ·答案：D解析：A项，ΔH＞0，ΔS＜0，在任何温度下，ΔH－TΔS＞0，即任何温度下反应都不能自发进行；B项，ΔH＜0，ΔS＜0，低温下反应能自发进行；C项，ΔH＞0，ΔS＞0，较高温度时能自发进行；D项，ΔH＜0，ΔS＞0，在任何温度下，ΔH－TΔS＜0，即在任何温度下反应均能自发进行。3.恒容绝热的密闭容器中充入反应物，在一定条件下分别发生四个不同的反应，平衡常数与压强随反应进行变化情况合理，且在高温下能自发进行的是()答案：A解析：若为吸热反应，ΔH＞0，随着反应进行，温度降低，K减小；p增大，说明气体物质的量增多，ΔS＞0，因此高温下能自发进行，p减小，反应不能自发进行。若为放热反应，ΔH＜0，随着反应进行，温度升高，K减小；p增大，任何条件都能自发进行，p减小，低温下能自发进行。4.合成氨反应达到平衡时，NH3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()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N2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.(2024·海口两校联考)已知：2NH3(g)＋CO2(g)⥬CO(NH2)2(s)＋H2O(g)。以空气等为原料合成尿素[CO(NH2)2]的流程如图所示(部分产物略去)。下列叙述错误的是()A.N2与H2的反应是放热反应，合成工艺中温度越低越好B.利用物质的沸点不同分离空气C.在高压的条件下更有利于尿素的合成D.煤与氧气反应放出的热量可提供给合成氨工艺答案：A解析：温度越低，化学反应速率越慢，从而降低产率，故合成工艺中要选择合适的温度，故A错误；利用物质的沸点不同将空气分离，故B正确；根据反应方程式：2NH3＋CO2⥬CO(NH2)2＋H2O，该反应是气体体积减小的反应，加压平衡正向移动，所以从提高产率角度来说，在加压的条件下反应更有利于尿素的合成，故C正确；煤与氧气发生的是氧化反应，氧化反应都放热，放出的热量可提供给合成氨工艺，故D正确。6.硫酸是一种重要的化工产品，目前主要采用“接触法”进行生产。有关反应2SO2＋O2催化剂加热2SO3的说法中不正确的是(A.实际生产中，SO2、O2再循环使用提高原料利用率B.实际生产中，为了提高反应速率，压强越高越好C.在生产中，通入过量空气的目的是提高SO2的转化率D.实际生产中，选定400～500℃作为操作温度的主要原因是催化剂的活性最高答案：B解析：二氧化硫和氧气的反应为可逆反应，SO2和O2不能反应完，因此SO2和O2需再循环利用以提高原料利用率，A正确；压强过大，设备可能无法承受，适当增大压强可提高反应速率和转化率，B错误；通入过量的空气，则反应平衡正向移动，SO2的转化率提高，C正确；实际生产中，温度为400～500℃时，催化剂的活性最高，因此选定400～500℃作为操作温度，D正确。7.已知体系自由能变化ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG＜0时反应能自发进行，两个氢化反应的ΔG与温度的关系如图所示，下列说法正确的是()A.反应①的ΔS＜0B.反应②在600℃时的反应速率很快C.温度大于1000℃时，反应①能自发进行D.反应②的ΔH＞0答案：C解析：反应①随温度的升高，ΔG逐渐减小，则ΔS＞0，故A错误；该题可以推测自发反应时的温度，但无法推测某温度下的反应速率快慢，故B错误；反应①在温度大于1000℃时ΔG＜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ΔH＜0，故D错误。8.(2024·湖南永州联考)将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，固体试样体积忽略不计)，使其达到分解平衡：NH2COONH4(s)⥬2NH3(g)＋CO2(g)。该条件下的平衡数据如下表，下列说法正确的是()温度/°C15.020.025.030.035.0平衡总压强/kPa5.78.312.017.124.0平衡气体总浓度/(×10－3mol·L－1)2.43.44.86.89.4A.该可逆反应达到平衡的标志之一是混合气体平均相对分子质量不变B.因该反应熵变ΔS大于0，焓变ΔH大于0，所以在低温下正向自发进行C.达到平衡后，若在恒温下压缩容器体积，氨基甲酸铵固体的质量增加D.根据表中数据，计算15.0℃时的NH3平衡浓度为1.6mol·L－1答案：C解析：根据化学方程式NH2COONH4(s)⥬2NH3(g)＋CO2(g)可知，生成的气体的物质的量之比始终是2∶1，所以气体的平均相对分子质量始终不变，故不能作为达到平衡状态的判断依据，A项错误；从题表中数据可以看出，随着温度升高，气体的总浓度增大，平衡正向移动，则该反应的正反应为吸热反应，ΔH＞0，反应中固体变为气体，混乱度增大，ΔS＞0，根据ΔG＝ΔH－TΔS可知反应在高温下正向自发进行，B项错误；压缩容器体积，气体压强增大，平衡逆向移动，氨基甲酸铵固体的质量增加，C项正确；反应中生成的氨和二氧化碳的浓度之比为2∶1，总浓度为2.4×10－3mol·L－1，所以氨的浓度为1.6×10－3mol·L－1，D项错误。9.(18分)(2024·重庆长寿中学检测)氨在国民经济生产中占有重要地位。下图是合成氨的简要流程，反应方程式：N2(g)＋3H2(g)⥬2NH3(g)ΔH＜0(1)图中X是，这样操作的目的是。(2)T℃时在容积为2L的密闭恒容容器中充入0.8molN2(g)和1.6molH2(g)，5min后达到平衡，测得N2的浓度为0.2mol/L。①计算此段时间的反应速率v(NH3)＝，H2的转化率。②已知300℃时K＝0.86，则(2)中的反应温度T300(填“＞”“＜”或“＝”)。若向平衡后的体系中同时加入1.2molN2、1.6molH2、1.2molNH3，平衡将(填“正向移动”“不移动”或“逆向移动”)。(3)下列措施可提高N2平衡转化率的是(填序号)。a.恒容时充入H2b.恒容时将NH3从体系中分离c.恒容时充入Hed.加入合适的催化剂(4)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：在低温、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：2N2(g)＋6H2O(l)⥬4NH3(g)＋3O2(g)ΔH＝＋765.2kJ·mol－1。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、压强1.0×105Pa、反应时间3h)：T/K303313323353NH3生成量/(×10－6mol)4.85.96.02.0当温度高于323K时，NH3的生成量反而降低的可能原因是。答案：(1)N2、H2提高原料的利用率(2)①0.08mol/(L·min)75％②＜正向移动(3)ab(4)催化剂失去活性；氨气与氧气发生副反应；温度升高液态水脱离催化剂表面，降低了氮气在催化剂表面与水接触的几率解析：(1)冷凝器将氨气冷凝分离出后，氮气和氢气进入压缩机循环，则X为N2、H2，这样操作的目的是提高原料的利用率；(2)①在容积为2L的密闭恒容容器中充入0.8molN2(g)和1.6molH2(g)，开始时，氮气和氢气的浓度分别为0.4mol/L和0.8mol/L，5min后达到平衡，测得N2的浓度为0.2mol/L，氢气的浓度为0.8mol/L－3×(0.4－0.2)mol/L＝0.2mol/L，氨气的浓度为2×(0.4－0.2)mol/L＝0.4mol/L，则此段时间的反应速率v(NH3)＝ΔcΔt＝0.4mol/L5min＝0.08mol/(L·min)，消耗氢气的物质的量为1.6－0.2×2mol＝1.2mol，则H2的转化率＝消耗H2的物质的量H2的总物质的量×100％＝1.21.6×100％＝75％；②T℃时，平衡常数K＝c2(NH3)c(N2)·c3(H2)＝0.420.2×0.23＝100，300℃时K＝0.86，相比于300℃，平衡常数增大，平衡正移，由于合成氨为放热反应，则T＜3