适用于新高考新教材备战2025届高考化学一轮总复习第7章化学反应速率与化学平衡第37讲化学反应的方向与调控课件

第37讲化学反应的方向与调控【课标指引】

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.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。考点一化学反应进行的方向考点二化学反应的调控——工业合成氨目录索引

素养发展进阶考点一化学反应进行的方向必备知识•梳理1.自发反应在一定条件下______________就能自发进行的反应称为自发反应。

2.熵和熵变的含义(1)熵的含义熵是衡量一个体系________的物理量。用符号________表示。同一条件下,不同物质有不同的熵值,同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)熵变的含义熵变是反应前后体系________,用________表示,化学反应的ΔS越大,越有利于反应________。

无需外界帮助

混乱度

S>>熵的变化

ΔS自发进行

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。

能

平衡

不能

【应用示例】金属锡的冶炼常用焦炭作还原剂:SnO2(s)+2C(s)═Sn(s)+2CO(g),反应过程中能量的变化如图所示。则该反应的ΔH____(填“>”或“<”,下同)0、ΔS____0。

>>关键能力•提升考向

化学反应进行的方向例(2022·浙江1月选考卷)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)═An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是(

)A.ΔH和ΔS均大于零B.ΔH和ΔS均小于零C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零D解析

强电解质溶于水有的放热,如硫酸铜等;有的吸热,如NaHCO3等,故在水中溶解对应的ΔH可能大于零或小于零。体系越混乱,则熵越大。AB型强电解质固体溶于水,存在熵的变化,固体转化为离子,混乱度增加,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,故整个溶解过程的熵变ΔS取决于固体转化为离子的熵增与水合过程的熵减两个作用的相对大小关系。若是前者占主导,则整个溶解过程熵增,即ΔS>0,反之,熵减,即ΔS<0。综上所述,D项符合题意。[对点训练](2023·广东广州期末)下列说法中,正确的是(

)A.O2转化为O3时,熵减小B.使用催化剂能使非自发反应转化成自发反应C.室温下Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是非自发反应D.某反应2X(g)

Y(g)+3Z(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的正反应的ΔH<0、ΔS>0A解析

因为O2在转化为O3的过程中,气体的分子数变少了,熵减小,A正确;根据ΔH与ΔG的关系ΔH=ΔG+TΔS可知,在一定温度下,ΔH也不可能发生变化,故使用催化剂只能够改变反应速率,并不能改变反应的自发性,B错误;Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应吸热,根据反应方程式:2NH4Cl+Ba(OH)2·8H2O═BaCl2+2NH3+10H2O,可知该反应ΔS>0,因此该反应在室温下是自发反应,C错误;若反应2X(g)

Y(g)+3Z(g)在高温下能自发进行,熵变ΔS>0,ΔH-TΔS<0,可能ΔH>0,其逆反应在低温下能自发进行,逆反应熵变ΔS<0,ΔH-TΔS<0,则该逆反应的ΔH<0,所以该正反应的ΔH>0、ΔS>0,D错误。考点二化学反应的调控——工业合成氨必备知识•梳理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,又不能太慢从化学平衡移动分析既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,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:对合成氨反应的影响影响因素浓度温度压强催化剂增大合成氨的反应速率

使用提高平衡混合物中氨的含量

增大反应物浓度

高温

高压

增大反应物浓度、减小生成物浓度

低温

高压

无影响

(2)实际工业合成氨反应的适宜条件

②温度:700K左右。③催化剂:以

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。铁

关键能力•提升考向1工业合成氨原理分析例1向一容积为2L的恒容密闭容器中充入1molN2和4molH2,在一定温度下发生反应:N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0。10s时达到平衡,c(NH3)为0.4mol·L-1。下列说法正确的是(

)A.该反应达到平衡时H2的转化率为40%B.降低温度能使混合气体的密度增大C.向该容器中充入N2,平衡正向移动D.研发高效催化剂可大大提高NH3的产率C解析

A项,根据题中数据可知,NH3的生成量为0.8

mol,则H2的减少量为1.2

mol,α(H2)=

×100%=30%;B项,降温,平衡正向移动,但气体总质量不变,容器容积不变,则密度不变;C项,容积不变,充入N2,c(N2)增大,平衡正向移动;D项,催化剂不能使平衡发生移动,因此各物质的转化率不变、产率不变。[对点训练1]

哈伯法合成氨的反应原理为N2(g)+3H2(g)

2NH3(g),新研制的催化剂可使该反应在常温、常压下进行,以氮气和氢气为反应物的燃料电池是利用氮气的一种新方法。下列有关哈伯法合成氨反应的说法正确的是(

)A.若该反应能自发进行,则ΔH>0B.选用高效催化剂,可降低该反应的ΔHC.其他条件不变,增大起始n(N2)∶n(H2)的比值,可提高H2的平衡转化率D.提高体系的压强可增大反应的化学平衡常数C解析

A项,该反应为熵减小的反应,若该反应能自发进行,则ΔH<0,错误;B项,催化剂不能改变反应的ΔH,错误;C项,其他条件不变,增大起始n(N2)∶n(H2)的比值,即相当于氢气量不变时,增加氮气的用量,平衡正向移动,可提高H2的平衡转化率,正确;D项,化学平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,错误。考向2化工生产条件的分析及选择例2(2023·辽宁卷,18节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化:(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)与温度的关系如下图所示,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cd(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下图所示,催化性能最佳的是________(填字母)。

d解析

(1)该反应为放热反应。从图像看,随着温度升高,反应速率先增大后减小,a错误;随着温度升高,反应的转化率应逐渐减小,图像中曲线为不同温度下的等转化率下的反应速率曲线,b错误;由题图可知,转化率越高对应的反应速率最高的温度越低,c正确;结合图像的转化率与速率最高的温度可选取最佳生产温度,d正确。(2)结合图像可知,相对于a、b、c,d对应的催化剂随着温度的升高,SO2的转化率升高得快,达到一定温度后趋于平缓。[对点训练2]“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: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________(填字母)。

A.300℃、0.1MPaB.700℃、0.1MPaC.300℃、0.5MPaD.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_____________________________________________________________。C300℃反应速率慢,700℃副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率解析

(1)由图甲可知,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0.5

MPa,因此控制反应条件为300

℃、0.5

MPa。(2)温度越低,反应速率越慢,由图甲可知,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。素养发展进阶进阶1练易错·避陷阱1.(2023·广东深圳高级中学模拟)氨催化氧化是硝酸工业的基础。工业上以氨气和氧气为原料,利用“氨催化氧化法”生产NO,在Pt-Rh合金催化作用下,发生主反应Ⅰ和副反应Ⅱ:Ⅰ.4NH3(g)+5O2(g)

4NO(g)+6H2O(g)Ⅱ.4NH3(g)+3O2(g)

2N2(g)+6H2O(g)现将1molNH3、2molO2充入1L恒容密闭容器中,在上述催化剂作用下,反应相同时间内,生成物的物质的量随温度变化曲线如图所示:下列说法不正确的是(

)A.该催化剂在低温时对反应Ⅱ的选择性更好B.520℃时,NH3的有效转化率约为66.7%C.工业上氨催化氧化生成NO时,最佳温度应控制在840℃左右D.高于400℃,n(N2)随温度升高而下降可能是反应Ⅱ的平衡逆向移动导致B解析

由图可知,低温时反应的主要产物为氮气,即主要发生反应Ⅱ,说明该催化剂在低温时对反应Ⅱ的选择性更好,A正确;520

℃时,NH3发生反应Ⅰ生成NO

0.2

mol,消耗氨气0.2

mol,NH3发生反应Ⅱ生成N2

0.2

mol,消耗氨气0.4

mol,则NH3的有效转化率为

×100%≈33.3%,B错误;840

℃时,反应相同时间内,NO的物质的量最大,副产物N2的物质的量最小,说明该温度下最有利于NO的生成,因此工业上氨催化氧化生成NO时,最佳温度应控制在840

℃左右,C正确;400

℃后n(N2)随温度升高而下降,其原因可能是:该反应为放热反应,高于400

℃时平衡逆向移动,使得N2的物质的量减少,D正确。2.(2024·江苏南通调研)甲烷催化氧化为合成气的主要反应有:A.反应Ⅰ为吸热反应B.在700℃时,容器中生成的CO2的物质的量为1.44molC.在500℃、600℃、700℃时都可能发生反应CH4(g)+H2O(g)3H2(g)+CO(g)D.该过程中,低温有利于合成气的生成C解析

由图可知,升温CH4转化率增大,但不管反应是放热还是吸热,没有达到平衡时升温,正反应速率增大相同时间内CH4转化率都会增大,所以不能判断反应是吸热反应,A错误;在700

℃时,CH4转化率为0.8,所以转化的CH4为0.8×2

mol=1.6

mol,据C守恒可知CO与CO2共1.6

mol,又CO的选择性为0.9,n(CO)=1.6

mol×0.9=1.44

mol,故n(CO2)=0.16

mol,B错误;对比500

℃、600

℃、700

℃图中H2、CO的选择性,H2选择性变化较为平缓,CO选择性变化较大,说明还有反应生成H2和CO,而且化学计量数之比和反应Ⅰ不同,所以该反应可能是CH4(g)+H2O(g)

3H2(g)+CO(g),C正确;800

℃时H2和CO的选择性接近1,说明高温有利于甲烷催化氧化为合成气反应的进行,即高温有利于合成气的生成,D错误。进阶2练热点·提素能3.丙烯是制造一次性医用口罩的重要原料。丙烷催化脱氢法是工业生产丙烯的重要途径,丙烷催化脱氢技术主要分为氧化脱氢和直接脱氢两种。回答下列问题:(1)丙烷催化氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下:2C3H8(g)+O2(g)

2C3H6(g)+2H2O(g)

ΔH1=-236kJ·mol-1(ⅰ)反应过程中消耗的C3H8和生成的C3H6的物质的量随温度的变化关系见下表。n(消耗)或n(生成)/mol反应温度/K535550575C3H861333C3H64817分析表中数据得到丙烯的选择性随温度的升高而________(填“不变”“升高”或“降低”);出现此结果的原因除生成乙烯等副产物外还可能是________________________________________________________。

降低

升高温度,反应ⅰ的化学平衡逆向移动

①反应ⅱ的平衡常数、产物丙烯选择性、副产物乙烯选择性与温度关系如图所示,分析工业生产中采用的温度为650℃左右的原因是___________________________________________________________。

②温度为670℃时,若在1L的容器中投入8molC3H8,充分反应后,平衡混合气体中有2molCH4和一定量C3H8、C3H6、H2、C2H4,计算该条件下C3H6的选择性为________%。

温度控制在650℃,丙烯选择性高,反应速率快,平衡常数较大

50③欲使丙烯的产率提高,下列措施可行的是________(填字母)。

a.恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气b.增大氢气与丙烷的投料比c.选择对脱氢反应更好选择性的催化剂d.增大压强ac进阶3研真题·明考向4.(2022·辽宁卷,18节选)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=-92.4kJ·mol-1

ΔS=-200J·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)________(填“高”或“低”,下同)温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。能

高

低

能

(3)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a(4)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-1a解析

(1)对于合成氨反应,常温下,ΔG=ΔH-TΔS=-92.4

kJ·mol-1-298

K×(-0.2

kJ·K-1·mol-1)=-32.8

kJ·mol-1<0,故合成氨反应在常温下能自发。(2)其他条件一定时,升高温度,可以提供更高的能量,使活化分子百分数增多,反应速率加快;合成氨反应是放热反应,要提高平衡转化率,即使反应平衡正向移动,应降低温度。(3)由题图可知,300

℃时,复合催化剂催化时合成氨反应的反应速率比单一催化剂催化时大很多,说明300

℃时复合催化剂比单一催化剂效率更高,a正确;同温同压下,复合催化剂能提高反应速率,但不能使平衡发生移动,故不能提高氨的平衡产率,b错误;温度过高,复合催化剂可能会失去活性,催化效率反而降低,c错误。(4)将实验1、3中数据分别代入合成氨的速率方程可得:①q=k·mα·nβ·pγ,③10q=k·mα·nβ·(0.1p)γ,两式联立可得γ=-1。合成氨过程中,不断分离出氨,即降低体系中c(NH3),生成物浓度下降,平衡向正反应方向移动,但不会提高正反应速率,a正确、c错误;反应主产物即氨不能使催化剂中毒,b错误。5.(1)(2022·湖南选考卷,17节选)已知,ΔG=ΔH-TΔS,ΔG的值只决定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。根据如图判断:600℃时,下列反应不能自发进行的是________。

A.C(s)+O2(g)═CO2(g)B.