第34讲-化学反应的方向、合成氨条件的选择(原卷版)

备战2023年高考化学【一轮·夯实基础】复习精讲精练第34讲化学反应的方向、合成氨条件的选择【复习目标】1．了解反应的自发性和熵的定义及应用。2．能利用化学平衡常数判断化学反应是否达到化学平衡状态以及平衡移动的方向。3．了解化学平衡的调控在生活、生产和科学研究领域中的重要作用。【知识精讲】考点一化学反应方向的判断1．自发反应(1)含义：在一定条件下，不需要借助光、电等外力作用就能自发进行的反应称为自发反应。(2)特点：2．熵和熵变的含义(1)熵的含义熵是衡量一个体系混乱度的物理量。用符号eq\a\vs4\al(S)表示。(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)熵变的含义①熵变是反应前后体系熵的变化，用ΔS表示。②熵变＝生成物的总熵－反应物的总熵。③化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行。3．化学反应方向的判断(1)判据(ΔG＝ΔH－TΔS)(2)一般规律①ΔH<0，ΔS>0的反应任何温度下都能自发进行；②ΔH>0，ΔS<0的反应任何温度下都不能自发进行；③ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。当ΔH<0，ΔS<0时，低温下反应能自发进行；当ΔH>0，ΔS>0时，高温下反应能自发进行。【例题1】实现“节能减排”和“低碳经济”的一项重要课题就是如何将CO2转化为可利用的资源。目前工业上有一种方法是用CO2来生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，如图表示该反应过程中能量(单位为kJ·mol－1)的变化：下列关于该反应的说法中，正确的是()A．ΔH＞0，ΔS＞0 B．ΔH＞0，ΔS＜0C．ΔH＜0，ΔS＜0 D．ΔH＜0，ΔS＞0【例题2】下列反应不可能自发进行的是()A．2O3(g)=3O2(g)ΔH＜0B．2CO(g)=2C(s)＋O2(g)ΔH＞0C．N2(g)＋3H2(g)=2NH3(g)ΔH＜0D．CaCO3(s)=CaO(s)＋CO2(g)ΔH＞0【例题3】已知：ΔG＝ΔH－TΔS，当ΔG<0，反应能自发进行，ΔG>0反应不能自发进行。下列说法中正确的是()A．非自发反应在任何条件下都不能发生B．熵增加且放热的反应一定是自发反应C．自发反应一定是熵增加的反应，非自发反应一定是熵减小或不变的反应D．凡是放热反应都是能自发进行的反应，而吸热反应都是非自发进行的反应【例题4】CO2催化加氢制取甲醇的研究，对于环境、能源问题都具有重要的意义。反应如下：反应ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－58kJ·mol－1反应ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋42kJ·mol－1下列说法不正确的是()A．增大氢气浓度能提高二氧化碳的转化率B．增大压强，有利于向生成甲醇的方向进行，反应ⅰ的平衡常数增大C．升高温度，生成甲醇的速率加快，反应ⅱ的限度同时增加D．选用理想的催化剂可以提高甲醇在最终产物中的比率考点二工业合成氨1．控制反应条件的目的(1)促进有利的化学反应进行：通过控制反应条件，可以加快化学反应速率，提高反应物的转化率，从而促进有利的化学反应进行。(2)抑制有害的化学反应进行：通过控制反应条件，也可以减缓化学反应速率，减少甚至消除有害物质的产生或抑制副反应的发生，从而抑制有害的化学反应继续进行。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措施控制反应速率。(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．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＝－92.4kJ·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？(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？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？(3)合成氨时选择500℃而不采用常温主要考虑什么因素？(4)合成氨时一般采用的压强为10～30MPa的原因是什么？(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施？(6)综合考虑——选择适宜的生产条件a．温度：400～500℃ b．压强：10～30MPac．投料比：eq\f(n（N2）,n（H2）)＝eq\f(1,2.8) d．以铁触媒作催化剂e．采用循环操作提高原料利用率【例题5】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【例题6】一定条件下，反应：6H2(g)＋2CO2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)的数据如图所示。下列说法正确的是()A．该反应的ΔH＞0B．达平衡时，3v正(H2)＝v逆(CO2)C．b点对应的平衡常数K大于c点D．a点对应的H2的平衡转化率为90%【例题7】N2和H2生成NH3的反应为eq\f(1,2)N2(g)＋eq\f(3,2)H2(g)NH3(g)ΔH(298K)＝－46.2kJ·mol－1在Fe催化剂作用下的反应历程如下(*表示吸附态)：化学吸附：N2(g)→2N*；H2(g)2H*表面反应：N*＋H*NH*；NH*＋H*NHeq\o\al(*,2)；NHeq\o\al(*,2)＋H*NHeq\o\al(*,3)脱附：NHeq\o\al(*,3)NH3(g)其中，N2的吸附分解反应活化能高、速率慢，决定了合成氨的整体反应速率。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(2)为各组分的平衡分压，如p为平衡总压，为平衡系统中氨气的物质的量分数，N2、H2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w，用分压代替物质的浓度计算平衡常数为Kp，Kp＝________。【真题演练】1．（2022·湖北·高考真题）硫代碳酸钠能用于处理废水中的重金属离子，可通过如下反应制备：，下列说法正确的是（）A．不能被氧化 B．溶液显碱性C．该制备反应是熵减过程 D．的热稳定性比的高2．（2022·江苏·高考真题）用尿素水解生成的催化还原，是柴油机车辆尾气净化的主要方法。反应为，下列说法正确的是（）A．上述反应B．上述反应平衡常数C．上述反应中消耗，转移电子的数目为D．实际应用中，加入尿素的量越多，柴油机车辆排放的尾气对空气污染程度越小3．（2022·浙江·高考真题）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零4．（2021·江苏·高考真题）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=-116.4kJ·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NO3-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<0B．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5．（2021·浙江·高考真题）相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较，合理的是（）A． B．C．D．6．（2020·江苏·高考真题）反应可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是（）A．该反应、B．该反应的平衡常数C．高温下反应每生成1molSi需消耗D．用E表示键能，该反应7．（2022·湖南·高考真题）钛(Ti)及其合金是理想的高强度、低密度结构材料。以钛渣(主要成分为，含少量V、Si和Al的氧化物杂质)为原料，制备金属钛的工艺流程如下：已知“降温收尘”后，粗中含有的几种物质的沸点：物质沸点答下列问题：(1)已知，的值只决定于反应体系的始态和终态，忽略、随温度的变化。若，则该反应可以自发进行。根据下图判断：时，下列反应不能自发进行的是____________。A． B．C．D．(2)与C、，在的沸腾炉中充分反应后，混合气体中各组分的分压如下表：物质分压①该温度下，与C、反应的总化学方程式为_________________；②随着温度升高，尾气中的含量升高，原因是_________________。(3)“除钒”过程中的化学方程式为___________________________；“除硅、铝”过程中，分离中含、杂质的方法是_________________。(4)“除钒”和“除硅、铝”的顺序________(填“能”或“不能”)交换，理由是_______。(5)下列金属冶炼方法与本工艺流程中加入冶炼的方法相似的是_______。A．高炉炼铁 B．电解熔融氯化钠制钠 C．铝热反应制锰 D．氧化汞分解制汞8．（2021·浙江·高考真题）含硫化合物是实验室和工业上的常用化学品。请回答：(1)实验室可用铜与浓硫酸反应制备少量：。判断该反应的自发性并说明理由_________________。(2)已知。时，在一恒容密闭反应器中充入一定量的和，当反应达到平衡后测得、和的浓度分别为、和。①该温度下反应的平衡常数为_______。②平衡时的转化率为_______。(3)工业上主要采用接触法由含硫矿石制备硫酸。①下列说法正确的是_______。A．须采用高温高压的反应条件使氧化为B．进入接触室之前的气流无需净化处理C．通入过量的空气可以提高含硫矿石和的转化率D．在吸收塔中宜采用水或稀硫酸吸收以提高吸收速率②接触室结构如图1所示，其中1~4表示催化剂层。图2所示进程中表示热交换过程的是_______。A． B．

C．

D． E.

F.

G.③对于放热的可逆反应，某一给定转化率下，最大反应速率对应的温度称为最适宜温度。在图3中画出反应的转化率与最适宜温度(曲线Ⅰ)、平衡转化率与温度(曲线Ⅱ)的关系曲线示意图(标明曲线Ⅰ、Ⅱ)_______。(4)一定条件下，在溶液体系中，检测得到pH-时间振荡曲线如图4，同时观察到体系由澄清→浑浊→澄清的周期性变化。可用一组离子方程式表示每一个周期内的反应进程，请补充其中的2个离子方程式。Ⅰ.Ⅱ.①_________________；Ⅲ.；Ⅳ.②_________________。【课后精练】第I卷（选择题）1．（2022·浙江绍兴期末）固体溶于水可表示为，其焓变和熵变分别为和，已知：；；且(反应后)(反应前)下列说法正确的是（）A．和均大于零B．和均小于零C．小于零，大于零D．大于零，小于零2．（2022·上海市张堰中学期末）在硫酸工业生产中，为了有利于SO2的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室(见图)。下列说法错误的是（）A．a、b两处的混合气体成分含量相同，温度不同B．c、d两处的混合气体成分含量不同，温度相同C．热交换器的作用是预热待反应的气体，冷却反应后的气体D．c处气体经热交换后再次催化氧化的目的是提高SO2的转化率3．（2022·江苏南京·高三阶段练习）随着人们环保意识的增强，燃油汽车都已经装上了尾气处理装置。汽车尾气在催化剂作用下可发生如下反应：2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)，下列说法不正确的是（）A．该反应能自发进行，△H﹤0B．反应的平衡常数表达式为C．反应中每消耗1molNO转移电子的数目约等于D．实际应用中，加入高效催化剂的量越多，燃油汽车排放的尾气对空气污染程度越小4．（2022·广西·北海市教育教学研究室）合成氨反应为

。下列有关该反应的说法正确的是（）A．催化剂增大了正、逆反应的活化能B．升高温度，该反应的平衡常数增大C．正反应的活化能小于逆反应的活化能D．反应在高温、高压和催化剂条件下进行可提高的平衡转化率5．（2022·专题练习）下列说法不正确的是（）A．反应4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s)常温下能自发进行，该反应的ΔH<0B．反应H2S(g)+ZnO(s)=H2O(g)+ZnS(s)在一定条件下可自发进行，且ΔS<0，则ΔH>0C．反应3C(s)+CaO(s)=CaC2(s)+CO(g)在常温下不能自发进行，说明该反应的ΔH>0D．SiO2(s)+2C(s)=Si(s)+2CO(g)必须在高温下反应才能发生，则ΔH>06．（2022·广西玉林期中）下列说法正确的是（）A．常温下，加水稀释0.1mol·L1醋酸溶液，溶液中所有离子浓度均减少。B．升高温度和增大浓度都可以提高反应体系内活化分子百分数C．常温下，反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0D．在稀溶液中：H+(aq)+OH-(aq)=H2O(1)

ΔH=-57.3kJ·mol-1，若将含1molCH3COOH与含1molNaOH的溶液混合，放出的热量等于57.3kJ7．（2022·江苏南通·模拟预测）研究氮氧化物的形成、利用、转化与消除有着重要意义。下列说法正确的是（）A．放电时能发生反应：N2(g)＋O2(g)=2NO(g)

ΔH>0，说明该反应ΔS<0B．用NaOH溶液吸收NO和NO2制备NaNO2，增加气体流速能提高氮氧化物利用率C．NO2与N2O4平衡体系中存在2NO2(g)N2O4(g)，压缩体积至新平衡(保持温度不变)，混合气体颜色变深D．汽车环保尿素[CO(NH2)2]用于消除NO2污染生成CO2、N2和H2O，生成1molN2转移8mole-8．（2022·江苏·淮海中学）对于反应

，下列说法正确的是（）A．该反应的，B．反应平衡常数可表示为C．使用高效催化剂能降低反应的活化能和焓变D．将部分分离出来，转化率和均增大9．（2022·全国·高三专题练习）对于化学反应方向的确定，下列说法不正确的是（）A．在温度、压强一定的条件下，焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向B．温度、压强一定时，放热的熵增加反应一定能自发进行C．反应焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素D．固体的溶解过程与熵变有关10．（2022·福建·莆田华侨中学）已知某反应的ΔH＜0、ΔS＞0，对此反应叙述正确的是（）A．该反应在任何情况下均能自发进行B．该反应在任何情况下均不能自发进行C．该反应在一定条件下能自发进行D．条件不足，无法判断11．（2022·河南郑州）近年来，科学家发现彗星上存在氨，或许可以揭示彗星与地球生命起源的关系。下列有关氨的说法正确的是（）A．NH3属于弱电解质B．液氨汽化时，放出热量C．N2(g)+3H2(g)2NH3(g)在高温下可自发进行，则该反应的△H>0D．氨水显碱性，是由于发生：NH3+H2ONH3•H2O+OH-12．（2022·河南南阳期末）下列有关化学反应方向及判据的说法中不正确的是（）A．ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行B．NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)

ΔH=+185.57kJ·mol-1能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向C．焓变和熵变都与反应的自发性有关，但焓变或熵变不可以单独作为反应自发性的判据D．自发反应就是能较快进行的反应，非自发反应就是无法进行的反应13．（2022·重庆巴蜀中学）通过以下两步反应可实现分解产物的分离。下列说法正确的是（）A．氨气分子的电子式为B．反应的C．上述两步反应的均大于0，任何温度下均能自发进行D．上述两个反应涉及的物质中，共有三种物质含有极性共价键14．（2022·全国·高三专题练习）下列有关合成氨工业的说法中正确的是（）A．铁触媒作催化剂可加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动B．升高温度可以加快反应速率，且有利于化学平衡向合成氨的方向移动C．增大压强能缩短达到平衡状态所用的时间D．合成氨采用的压强是10~30MPa，因为该压强下铁触媒的活性最高15．（2022·江苏·高三专题练习）750℃时，和发生的两个反应的方程式分别如下：①；②；下列说法正确的是（）A．反应①的平衡常数可表示为B．反应②的C．如希望尽可能转化为NO，可利用催化剂的选择性D．反应②的16．（2022·浙江期中）已知放热反应，若起始时按和物质的量比2：1投料，反应达到平衡时的转化率(%)随温度和压强变化如下表：温度/℃平衡时的转化率/%0.1MPa0.5MPa1MPa2.5MPa5MPa40099.299.699.799.899.945097.598.999.299.599.650093.596.997.898.699.0下列说法不正确的是（）A．反应过程中，和的转化率始终相等B．降低温度或增大压强，可使的转化率达到100%C．其他条件不变，升高温度，正反应速率和逆反应速率均增大D．实际生产中，该反应常采用400~500℃、常压并使用催化剂第II卷（非选择题）17．（2022·陕西西安·高三开学考试）氮及其化合物与人类生产生活息息相关。(1)氮气在雷电的作用下，生成氮的氧化物，再经复杂变化形成能供给植物营养的硝酸盐。涉及的部分反应：I．2NO2(g)+H2O(l)=HNO3(aq)+HNO2(aq)△H1=-116.1kJ·mol-1；II．HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l)=3HNO2(aq)△H2=-75.9kJ·mol-1；III．3NO2(g)+H2O(l)=2HNO3(aq)+NO(g)△H3；①△H3=__________kJ·mol-1。②将两个充有等量NO2的A、B烧瓶，分别放入两个盛有等量的水的烧杯中，待气体颜色稳定后，若向右边的烧杯中加入5.0g硝酸铵晶体，实验装置如图所示(略去铁架台等)，则观察到B烧瓶中气体颜色_______(填“变深”、“不变”或“变浅”)，其原因是______________________。(2)氮气是生产氮肥的主要原料。①实验室可用氯化铵与消石灰反应制备少量NH3。2NH4Cl(s)+Ca(OH)2(s)=CaCl2(s)+2NH3(g)+2H2O(g)△H＞0，该反应在_______(填“高温”、“低温”或“任何温度”)下能自发进行，说明理由：________________。②已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g)△H=-92.4kJ·mol-1，工业合成氨通常选择30MPa左右，700K左右，以铁触媒为催化剂，分析工业合成氨时不选用更高的压强或更高的温度的可能原因：____________________。(3)CO和NO是汽车尾气中的主要污染物，将它们转化为无害物质是重要的研究课题。已知：在25℃时，IV．2NO(g)N2(g)+O2(g)△H4=-180.5kJ·mol-1K4V．CO(g)+O2(g)CO2(g)△H5=-283.0kJ·mol-1K5①25℃时，反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)的平衡常数K6=____________(填含K4、K5的代数式)。②在某恒温恒压的条件下，向密闭容器中充入2molNO和2molCO，仅发生反应2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)，此时混合气体的总体积为1L，在t1时刻达到平衡状态，此时NO的转化率为40%，则该条件下的平衡常数K′6=____________(保留两位有效数字)。18．（2022·辽宁·铁岭市清河高级中学）Ⅰ．恒温下，在容积为2L的恒容密闭容器A中通入1mol与1mol的混合气体，发生如下反应：

，5min时，达到平衡，若平衡时氢气的物质的量为0.4mol(1)平衡时的速率为_______。(2)此温度时该反应的平衡常数为_______。(3)平衡时与起始时压强之比_______。(4)该反应在什么温度下_______(填“高温”“低温”“任何温度”)自发进行。Ⅱ．在一定容积的密闭容器中，进行如下化学反应，其化学平衡常数K和温度T的关系如表：T/℃70080083010001200K0.60.91.01.72.6(5)800℃在恒容密闭容器中放入混合物，各物质的浓度为，，，，此时_______(填“=”“＞”“＜”或“不能确定”)，该反应正反应为_______热。19．（2022·天津一中期末）(一)高效利用能源并且减少的排放，对完成“碳中和”的目标有重要意义。Ⅰ.可用下列方法把转化成甲醇燃料(1)①

②

反应①在_______(选填“高温”、“低温”或“任意温度”)下，易自发进行。Ⅱ.利用与合成甲醇涉及的主要反应如下：a.

b.

试回答下列问题：(2)已知

，则_______(3)向刚性容器中充入一定量的和，在不同催化剂(Cat.1，Cat.2)下经相同反应时间，的转化率和甲醇的选择性[甲醇的选择性]随温度的变化如图所示：①由图可知，催化效果Cat.1_______Cat.2(填“>”“<”或“=”)。②在210~270℃间，的选择性随温度的升高而下降，请写出一条可能原因_______。(4)一定条件下，向刚性容器中充入物质的量之比为1∶3的和发生上述反应。有利于提高甲醇平衡产率的条件是_______(填标号)。A．高温高压 B．低温高压 C．高温低压 D．低温低压(二)2021年我国制氢量位居世界第一，煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题：在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入足量的和1mol，起始压强为0.2MPa时，发生下列反应生成水煤气：Ⅰ.

Ⅱ.

(5)下列说法正确的是________A．平衡时向容器中充入惰性气体，反应Ⅰ的平衡逆向移动B．混合气体的密度保持不变时，说明反应体系已达到平衡C．将炭块粉碎，可加快反应速率D．平衡时的体积分数可能大于(6)反应平衡时，的转化率为50%，CO的物质的量为0.1mol。此时反应Ⅰ的平衡常数Kp=_______MPa(以分压表示，分压=总压×物质的量分数)。20．（2022·山东德州阶