高考化学一轮复习 讲义大单元四　第十一章　第43讲　化学反应的方向与调控（广东版）

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.熵和熵变的含义(1)熵的含义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。同一条件下，不同物质有不同的熵值；同一种物质在不同状态下熵值也不同，一般规律是S(g)>S(l)>S(s)。(2)熵变的含义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。3.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。1.非自发反应，一定条件下也能使其反应发生()2.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()3.ΔH<0，ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行()4.一定温度下，反应MgCl2(l)⥬Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0()5.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<0()答案1.√2.×3.×4.√5.√1.(2025·东莞万江中学月考)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>0能否自发进行与温度有关C.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<0答案C解析物质聚集状态不同熵值不同，S(气体)>S(液体)>S(固体)，1molH2O在不同状态时的熵值：S[H2O(l)]<S[H2O(g)]，故A正确；反应CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)的ΔH>0，ΔS>0，ΔH-TΔS<0才能自发进行，因此该反应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，不能说明两反应的ΔH和ΔS的变化相同，故C错误；该反应的ΔS<0，若能自发进行，ΔH-TΔS<0，则ΔH必须小于0，故D正确。2.(2025·广州阶段测试)运用相关化学知识进行判断，下列结论错误的是()A.某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应B.冰在室温下自动熔化成水，这是熵增的过程C.放热反应在常温常压下都能自发进行D.高锰酸钾受热分解是一个熵增的过程答案C解析吸热反应可以自发进行，ΔH>0，若满足ΔH-TΔS<0，必须是熵增的反应，故A正确；反应向熵增的方向进行，同种物质熵值：液体>固体，冰在室温下自动熔化成水，是熵增的结果，故B正确；放热反应与反应条件有关，如燃烧反应为放热反应，需要加热或点燃，常温不反应，故C错误；高锰酸钾分解生成气体，混乱度增加，熵值增大，故D正确。3.二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为CO2(g)+3H2(g)⥬CH3OH(g)+H2O(g)。(1)该反应一般认为通过如下步骤来实现：①CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)ΔH=+41kJ·mol-1②CO(g)+2H2(g)⥬CH3OH(g)ΔH=-90kJ·mol-1总反应的ΔH=kJ·mol-1。(2)根据以上信息判断CO2与H2制取甲醇的反应在(填字母)条件下可自发进行。A.高温 B.低温 C.任何温度答案(1)-49(2)B解析(2)反应为放热的熵减反应，则ΔH<0，ΔS<0，根据ΔH-TΔS<0，则在低温下可以自发进行。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=-92.4kJ·mol-1，ΔS=-198.2J·mol-1·K-1。2.合成氨工业的条件选择[已知合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)]反应条件原理分析实际工业生产条件提高反应速率提高平衡转化率压强高压高压10MPa~30MPa温度高温低温400~500℃催化剂使用无影响铁触媒作催化剂浓度增大氮气、氢气的浓度，减小氨气的浓度增大反应物的浓度，降低生成物的浓度N2、H2投料比为1∶2.8。氨及时从混合气中分离出去，剩余气体循环使用3.合成氨的工艺流程一、工业合成氨适宜条件选择1.我国科学家研发出一种新型双温催化剂Fe⁃TiO2-xHy，该催化剂催化N2和H2合成NH3(反应体系温度为495℃)的原理如图所示，下列分析错误的是()A.“热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化B.“热Fe”有利于N2快速转化为NC.“冷Ti”低于体系温度，有利于提高合成氨反应速率D.该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺中存在的反应速率和平衡产率的矛盾答案C解析分析可知，“热Fe”上的变化为12N2=N，氮气分子发生共价键断裂的变化为焓增、熵增的变化，故A正确；“热Fe”高于体系温度，有利于氮气中共价键的断裂，加快反应速率，故B正确；“冷Ti”低于体系温度，有利于平衡向正反应方向移动，提高氨气的产率，但降低温度不利于提高合成氨反应速率，故C2.工业合成甲醇的反应为CO2(g)+3H2(g)⥬CH3OH(g)+H2O(g)ΔH<0。反应相同时间，实验测得甲醇的产率与压强、温度的关系分别如图1、图2所示。下列叙述正确的是()A.合成甲醇时压强越大越好B.增大压强，正反应速率增大，逆反应速率减小C.合成甲醇的最佳温度为520KD.520K之前升高温度单位时间内甲醇的产率减小答案C解析虽然增大压强能加快反应速率，使平衡正向移动而提高甲醇的产率，但压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益，故合成甲醇时不是压强越大越好，A项错误；增大压强，正、逆反应速率都增大，B项错误；根据图2可知，520K时甲醇的产率最大，合成甲醇的最佳温度为520K，C项正确；图示曲线为反应相同时间，520K之前反应未达到平衡状态，升高温度，反应速率加快，单位时间内甲醇的产率增大，D项错误。3.已知2SO2(g)+O2(g)⥬2SO3(g)ΔH<0的实验数据如表：温度不同压强下SO2的转化率/%1×105Pa5×105Pa1×106Pa5×106Pa1×107Pa450℃97.598.999.299.699.7550℃85.692.994.997.798.3(1)应选择的温度是，理由是。(2)应采用的压强是，理由是。(3)生产中通入过量空气的目的是。答案(1)450℃该反应是放热反应，升高温度，SO2转化率降低，在450℃时，反应物的转化率较高(2)1×105Pa常压下SO2的转化率已经很高，采用较大的压强，SO2的转化率提高很少，但会增加生产成本(3)增大O2浓度，提高SO2的转化率化学反应适宜条件选择的思维流程二、我国工业合成氨创新与成就4.哈尔滨工业大学吕查德课题组合成α⁃CeMnOx催化剂，提出一种非常规“交替-远端”混合电催化N2RR缔合机制实现高效合成氨，原理如图所示。下列说法正确的是()A.远端路径具有N2低活化能的特点B.交替路径的N选择性高于远端路径C.“交替-远端”混合路径结合了N2低活化能和N高选择性的优点D.移位路径在反应历程中未涉及质子(H+)和电子(e-)的参与答案C解析由图可知，远端路径是N2高活化能，A项错误；图中显示交替路径的N选择性低，远端路径的N选择性高，所以交替路径的N选择性低于远端路径，B项错误；从图中及相关信息可知，“交替-远端”混合路径具备N2低活化能和N高选择性的优势，C项正确；由图中移位路径时物质的转化可知，移位路径涉及质子(H+)和电子(e-)的参与，D项错误。1.[2025·浙江1月选考，18(4)]工业中常用如下反应生产HCON(CH3)2：(CH3)2NH(g)+CO(g)=HCON(CH3)2(l)。某条件下反应自发且熵减，则反应在该条件下ΔH0(填“>”“<”或“=”)。答案<解析由题意知该反应某条件下反应自发且熵减，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发可知，反应在该条件下ΔH<0。2.[2025·广东，19(2)]298K下，反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0，则298K下该反应(填“能”或“不能”)自发进行。答案能解析ΔH-TΔS<0时反应能自发进行，而由已知信息可知，该反应的ΔH<0、ΔS>0，该反应的ΔH-TΔS<0恒成立，故该反应在298K时能自发进行。3.[2025·湖南，18(3)]在反应器中，发生如下反应：反应ⅰ：2C2H4(g)⥬C4H8(g)ΔH1=-104.7kJ·mol-1反应ⅱ：2C2H4(g)+H2(g)⥬C4H10(g)ΔH2=-230.7kJ·mol-1计算反应C4H8(g)+H2(g)⥬C4H10(g)的ΔH=kJ·mol-1，该反应(填字母)。A.高温自发 B.低温自发C.高温低温均自发 D.高温低温均不自发答案-126B解析根据盖斯定律，反应ⅱ-反应ⅰ即可得到目标反应，则ΔH=-230.7kJ·mol-1-(-104.7kJ·mol-1)=-126kJ·mol-1，该反应是熵减的放热反应，则依据ΔG=ΔH-TΔS<0反应能自发进行，则低温下自发进行，选B。4.[2023·新课标卷，29(4)]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题：在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如图所示。其中一种进料组成为xH2=0.75、xN2=0.25，另一种为xH2=0.675、xN2=0.225、xAr=0.10。(①图中压强由小到大的顺序为，判断的依据是。②进料组成中含有惰性气体Ar的图是。③图3中，当p2=20MPa、xNH3=0.20时，氮气的转化率α=。该温度时，反应12N2(g)+32H2(g)⥬NH3(g)的平衡常数Kp=(MPa)答案①p1<p2<p3合成氨的反应为气体分子数减少的反应，压强越大平衡时氨的摩尔分数越大②图4③33.33%3解析②该反应为气体分子数减少的反应，在相同温度和相同压强下，加入惰性气体Ar相当于减小反应物浓度，与不含Ar进料的反应相比，相当于平衡逆向移动，不利于合成氨，进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中，进料组成为xH2=0.75、xN2=0.25，两者物质的量之比为3∶1。假设进料中氢气和氮气的物质的量分别为3mol和1mol，达到平衡时氮气的变化量为N2(g)+3H2(g)⥬2NH3(g)起始/mol130变化/molx3x2x平衡/mol1-x3-3x2x当p2=20MPa、xNH3=0.20时，xNH3=2x4-2x=0.20，解得x=13，则氮气的转化率α=13≈33.33%。平衡时N2、H2、NH3的物质的量分别为23mol、2mol、23mol，其物质的量分数分别为15、35、15，则该温度下Kp'=15p2215p2×35p23=424×123(MPa)-2课时精练[分值：50分](1~5题，每小题4分，6~11题，每小题5分)1.(2025·广州模拟预测)下列说法正确的是()A.2SO2(g)+O2(g)⥬2SO3(g)ΔH=-197kJ·mol-1，高温条件下反应可以自发进行B.CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行，则该反应的ΔH<0C.反应NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0D.2NO(g)+2CO(g)⥬N2(g)+2CO2(g)其他条件不变，增大压强，平衡正向移动，平衡常数增大答案C解析该反应的ΔH<0，ΔS<0，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应可以自发进行，故该反应在低温条件下可以自发进行，高温条件下不可自发进行，A错误；该反应的ΔS>0，且室温下不能自发进行，则在高温下可以自发进行，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应才能自发进行，则ΔH>0，B错误；该反应的ΔS<0，且在室温下可自发进行，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应才能自发进行，则ΔH<0，C正确；其他条件不变，增大压强，该反应的平衡正向移动，而平衡常数只受温度影响，平衡常数不变，D错误。2.在298K和100kPa压强下，已知金刚石和石墨的熵、燃烧热和密度分别如下：物质S/(J·mol-1·K-1)燃烧热ΔH/(kJ·mol-1)ρ/(kg·m-3)C(s，金刚石)2.4-395.403513C(s，石墨)5.7-393.512260此条件下，对应反应：C(s，石墨)=C(s，金刚石)，下列说法正确的是()A.该反应的ΔH<0，ΔS<0B.由公式ΔG=ΔH-TΔS可知，该反应ΔG=985.29kJ·mol-1C.金刚石比石墨稳定D.超高压条件下，石墨有可能变为金刚石答案D解析由题给数据可知C(s，石墨)=C(s，金刚石)ΔH=+1.89kJ·mol-1，ΔS=-3.3J·mol-1·K-1，A项错误；ΔS的单位是J·mol-1·K-1，而ΔH的单位是kJ·mol-1，单位统一后，代入公式，ΔG=ΔH-TΔS=1.89kJ·mol-1-298K×(-3.3×10-3)kJ·mol-1·K-1=2.8734kJ·mol-1，B项错误；石墨转化为金刚石为吸热反应，故石墨比金刚石稳定，C项错误；金刚石的密度大于石墨，增大压强，有利于相变向密度大的多面体方向转变，故超高压条件下，石墨有可能转变为金刚石，D项正确。3.工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)+3H2(g)⥬2NH3(g)ΔH=-92.4kJ·mol-1。下面说法正确的是()A.合成氨一般选择400~500℃的原因主要考虑了温度对速率的影响B.将生成的氨气及时液化分离，可推动平衡正向移动，加快反应速率C.增大压强虽能提高平衡产率，但实际生产中常采用20MPa以节省设备成本D.由于N2在空气中含量高，因此直接将空气与氢气混合通入反应炉答案C解析合成氨选择400~500℃，既考虑温度对速率的影响(加快反应速率)，也考虑对催化剂(铁触媒)的活性的影响，该温度下催化剂活性高，A错误；将氨气及时液化分离，平衡正向移动，但浓度降低，反应速率会减慢，B错误；增大压强，平衡正向移动，能提高平衡产率，但压强过大对设备要求高、成本高，实际生产采用20MPa左右可节省设备成本，C正确；直接将空气与氢气混合通入反应炉，空气中的氧气会与氢气混合发生爆炸等危险，且空气中含有其他杂质气体，会影响反应，不能直接混合，D错误。4.(2025·江西，12)一定压强下，乙烯水合反应为C2H4(g)+H2O(g)⥬C2H5OH(g)已知：ΔH(J·mol-1)=-34585-26.4TΔG(J·mol-1)=-34585+26.4T·lnT+45.19T气体均视为理想气体，下列说法正确的是()A.反应的活化能：E正>E逆B.恒温恒容充入N2，平衡向左移动C.ΔS随温度升高而降低D.平衡后，升高温度，Δv正>Δv逆答案C解析ΔH=E正-E逆，题中ΔH(J·mol-1)=-34585-26.4T为负值，且随温度升高ΔH的值减小，说明E正<E逆，A错误；恒温恒容充入N2，总压增大但各反应物分压不变，平衡不移动，B错误；由ΔG=ΔH-TΔS代入数据得ΔS(J·mol-1)=-71.59-26.4lnT，温度T升高时lnT增大，ΔS更小，C正确；该反应的ΔH<0，为放热反应，升温使放热反应的逆反应速率增加更多，Δv逆>Δv正，D错误。5.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。6.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的体积分数随着压强增大而增大，高压有利于提高氨的产率，但高压对设备要求高、成本高；由图，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℃，故综合氨的产率、设备、经济性等因素，合成氨工业最有前途的研究方向为研制低温催化剂。7.2007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()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为氨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，但高温是为了提高反应速率，D错误。8.将金红石(TiO2)转化为TiCl4是生产金属钛的关键步骤。在1.0×105Pa，将TiO2、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。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℃时的平衡体系加热至800℃，平衡C(s)+CO2(g)⥬2CO(g)向正反应方向移动C.1000℃时，测得某时刻x(TiCl4)=0.2。其他条件不变，延长反应时间能使x(TiCl4)超过该温度下平衡时的x(TiCl4)D.实际生产时反应温度选择900℃而不选择200℃，其主要原因是900℃比200℃时化学反应速率更快，生产效益更高答案C解析在1.0×105Pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量之比为1∶2∶2进行反应：TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO，三者完全反应时，生成TiCl4、CO的物质的量之比为1∶2，此时TiCl4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，TiCl4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。9.如图所示为工业合成氨的流程图。有关说法错误的是()A.步骤①中“净化”可以防止催化剂中毒B.步骤②中“加压”既可以提高原料的转化率，又可以加快反应速率C.步骤③、④、⑤均有利于提高原料平衡的转化率D.产品液氨除可生产化肥外，还可用作制冷剂答案C解析合成氨使用含铁催化剂，为防止催化剂中毒，须将原料“净化”处理，A项正确；步骤②中“加压”，可增大氮气、氢气浓度，加快合成氨反应速率又能使平衡右移，提高原料转化率，B项正确；合成氨反应放热，步骤③使用较高温度不利于提高原料转化率，同时使用催化剂也不能使平衡移动，步骤④、⑤有利于提高原料的转化率，故C项错误；产品液氨可用酸吸收生成铵态氮肥，液氨汽化时会吸收大量热，可用作制冷剂，D项正