2024年高考化学一轮复习（新高考版） 第8章 第49讲　化学反应的方向与调控

第49讲　化学反应的方向与调控

[复习目标]　1.了解熵、熵变的含义，会用复合判据判断反应进行的方向。2.了解化学反应的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。

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____________。

3．判断化学反应方向的判据

ΔG＝ΔH－TΔS

ΔG<0时，反应____自发进行；

ΔG＝0时，反应处于______状态；

ΔG>0时，反应______自发进行。

1．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(　　)

2．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为判断反应能否自发进行的判据(　　)

3．过程自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程发生的速率(　　)

1．下列说法正确的是(　　)

A．非自发反应一定不能实现

B．同种物质气态时熵值最小，固态时熵值最大

C．反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0

D．恒温恒压下，ΔH<0且ΔS>0的反应一定不能自发进行

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ΔH＞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＋2CO2CO2＋N2。反应能够自发进行，则反应的ΔH________0(填“＞”“＜”或“＝”)。理由是___________

_____________________________________________________________________________。

(3)已知CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)　ΔH＝＋218 kJ·mol－1，该反应能够自发进行的反应条件是________。

考点二　化学反应的调控——工业合成氨

1．化工生产适宜条件选择的一般原则

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。

3．工业合成氨反应的适宜条件

(1)理论分析

增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量对反应条件的要求不尽相同：

(2)实际工业合成氨反应的适宜条件

①压强

②温度：700 K左右。

③催化剂：以铁为主体的多成分催化剂。

④浓度：N2与H2的投料比(物质的量之比)为1∶2.8。

一、工业合成氨条件的分析

1．下图是工业合成氨的工艺，根据流程解答下列问题：

(1)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：

N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，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？

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________________________________________________________________________

(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？

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________________________________________________________________________

②铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗？ 简述理由。

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

③铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？

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(3)合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑什么因素？

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(4)合成氨时一般采用的压强为10～30 MPa的原因是什么？

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(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施？

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二、其他工业生产条件的分析

2．工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)(正反应吸热)，将丁烷和氢气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化率、产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是(　　)

A．由图甲可知，x小于0.1

B．由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着增大，逆反应速率减小

C．由图丙可知，丁烯产率在590  ℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移动

D．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之后快速降低的主要原因是丁烯高温分解生成副产物

3．乙烯是石油化工最基本的原料之一。

(1)乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯：C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g)　ΔH1＞0。提高乙烷平衡转化率的措施有________________、________________。

(2)在乙烷中引入O2可以降低反应温度，减少积碳。涉及如下反应：

a．2C2H6(g)＋ O2(g)2C2H4(g) ＋ 2H2O(g)　ΔH2＜0

b．2C2H6(g)＋5O2(g)4CO(g) ＋ 6H2O(g)　ΔH3＜0

c．C2H4(g)＋ 2O2(g)2CO(g) ＋ 2H2O(g)　ΔH4＜0

氧气的引入可能导致过度氧化。为减少过度氧化，需要寻找催化剂降低反应________(填“a”“b”或“c”)的活化能，判断的依据是______________________________________。

(3)常压下，在某催化剂作用下按照n(C2H6)∶n(O2)＝1∶1投料制备乙烯，体系中C2H4和CO在含碳产物中的物质的量百分数及C2H6转化率随温度的变化如图所示。

①乙烯的物质的量百分数随温度升高而降低的原因是______________________。

②在570～600 ℃温度范围内，下列说法正确的是________(填字母)。

A．C2H4产率随温度升高而增大

B．H2O的含量随温度升高而增大

C．C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而增大

D．此催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率

1．(2021·江苏，8)N2是合成氨工业的重要原料，NH3不仅可制造化肥，还能通过催化氧化生产HNO3；HNO3能溶解Cu、Ag等金属，也能与许多有机化合物发生反应；在高温或放电条件下，N2与O2反应生成NO，NO进一步氧化生成NO2。2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)　ΔH＝－116.4 kJ·mol－1。大气中过量的NOx和水体中过量的NH、NO均是污染物。通过催化还原的方法，可将烟气和机动车尾气中的NO转化为N2，也可将水体中的NO转化为N2。对于反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)，下列说法正确的是(　　)

A．该反应的ΔH<0，ΔS<0

B．反应的平衡常数可表示为K＝

C．使用高效催化剂能降低反应的焓变

D．其他条件相同，增大，NO的转化率下降

2．[2022·辽宁，18(1)(2)(4)(5)]工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖，其反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1　ΔS＝－200 J·K－1·mol－1。

回答下列问题：

(1)合成氨反应在常温下__________(填“能”或“不能”)自发。

(2)__________温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率，__________温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用400～500 ℃。

针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了两种解决方案。

(4)方案二：M-LiH复合催化剂。

下列说法正确的是__________(填字母)。

a．300 ℃时，复合催化剂比单一催化剂效率更高

b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率

c．温度越高，复合催化剂活性一定越高

(5)某合成氨速率方程为：v＝kcα(N2)·cβ(H2)·cγ(NH3)，根据表中数据，γ＝__________；

在合成氨过程中，需要不断分离出氨的原因为__________________________(填字母)。

a．有利于平衡正向移动

b．防止催化剂中毒

c．提高正反应速率