適用于新高考新教材備戰(zhàn)2025屆高考化學一輪總復習第7章化學反應速率與化學平衡第37講化學反應的方向與調(diào)控課件

第37講化學反應的方向與調(diào)控【課標指引】

1.了解熵、熵變的含義,會用復合判據(jù)判斷反應進行的方向。2.認識化學反應速率和化學平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學研究中的重要作用。考點一化學反應進行的方向考點二化學反應的調(diào)控——工業(yè)合成氨目錄索引

素養(yǎng)發(fā)展進階考點一化學反應進行的方向必備知識?梳理1.自發(fā)反應在一定條件下______________就能自發(fā)進行的反應稱為自發(fā)反應。

2.熵和熵變的含義(1)熵的含義熵是衡量一個體系________的物理量。用符號________表示。同一條件下,不同物質(zhì)有不同的熵值,同種物質(zhì)在不同狀態(tài)下熵值也不同,一般規(guī)律是S(g)_____S(l)_____S(s)。

(2)熵變的含義熵變是反應前后體系________,用________表示,化學反應的ΔS越大,越有利于反應________。

無需外界幫助

混亂度

S>>熵的變化

ΔS自發(fā)進行

3.判斷化學反應方向的判據(jù)(ΔG=ΔH-TΔS)ΔG<0時,反應________自發(fā)進行;

ΔG=0時,反應處于________狀態(tài);

ΔG>0時,反應________自發(fā)進行。

能

平衡

不能

【應用示例】金屬錫的冶煉常用焦炭作還原劑:SnO2(s)+2C(s)═Sn(s)+2CO(g),反應過程中能量的變化如圖所示。則該反應的ΔH____(填“>”或“<”,下同)0、ΔS____0。

>>關(guān)鍵能力?提升考向

化學反應進行的方向例(2022·浙江1月選考卷)AB型強電解質(zhì)在水中的溶解(可視作特殊的化學反應)表示為AB(s)═An+(aq)+Bn-(aq),其焓變和熵變分別為ΔH和ΔS。對于不同組成的AB型強電解質(zhì),下列說法正確的是(

)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

強電解質(zhì)溶于水有的放熱,如硫酸銅等;有的吸熱,如NaHCO3等,故在水中溶解對應的ΔH可能大于零或小于零。體系越混亂,則熵越大。AB型強電解質(zhì)固體溶于水,存在熵的變化,固體轉(zhuǎn)化為離子,混亂度增加,但離子在水中存在水合過程,這樣會引發(fā)水的混亂度的變化,讓水分子會更加規(guī)則,即水的混亂度下降,故整個溶解過程的熵變ΔS取決于固體轉(zhuǎn)化為離子的熵增與水合過程的熵減兩個作用的相對大小關(guān)系。若是前者占主導,則整個溶解過程熵增,即ΔS>0,反之,熵減,即ΔS<0。綜上所述,D項符合題意。[對點訓練](2023·廣東廣州期末)下列說法中,正確的是(

)A.O2轉(zhuǎn)化為O3時,熵減小B.使用催化劑能使非自發(fā)反應轉(zhuǎn)化成自發(fā)反應C.室溫下Ba(OH)2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的反應是非自發(fā)反應D.某反應2X(g)

Y(g)+3Z(g)在高溫時能自發(fā)進行,其逆反應在低溫時能自發(fā)進行,則該反應的正反應的ΔH<0、ΔS>0A解析

因為O2在轉(zhuǎn)化為O3的過程中,氣體的分子數(shù)變少了,熵減小,A正確;根據(jù)ΔH與ΔG的關(guān)系ΔH=ΔG+TΔS可知,在一定溫度下,ΔH也不可能發(fā)生變化,故使用催化劑只能夠改變反應速率,并不能改變反應的自發(fā)性,B錯誤;Ba(OH)2·8H2O晶體與NH4Cl晶體的反應吸熱,根據(jù)反應方程式:2NH4Cl+Ba(OH)2·8H2O═BaCl2+2NH3+10H2O,可知該反應ΔS>0,因此該反應在室溫下是自發(fā)反應,C錯誤;若反應2X(g)

Y(g)+3Z(g)在高溫下能自發(fā)進行,熵變ΔS>0,ΔH-TΔS<0,可能ΔH>0,其逆反應在低溫下能自發(fā)進行,逆反應熵變ΔS<0,ΔH-TΔS<0,則該逆反應的ΔH<0,所以該正反應的ΔH>0、ΔS>0,D錯誤。考點二化學反應的調(diào)控——工業(yè)合成氨必備知識?梳理1.化工生產(chǎn)適宜條件選擇的一般原則

條件原則從化學反應速率分析既不能過快,又不能太慢從化學平衡移動分析既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性,又要注意對二者影響的矛盾性從原料的利用率分析增加易得廉價原料,提高難得高價原料的利用率,從而降低生產(chǎn)成本從實際生產(chǎn)能力分析如設(shè)備承受高溫、高壓能力等從催化劑的使用活性分析注意催化劑的活性受溫度的限制2.控制反應條件的基本措施(1)控制化學反應速率的措施通過改變反應體系的溫度、溶液的濃度、氣體的壓強(或濃度)、固體的表面積以及使用催化劑等途徑調(diào)控反應速率。(2)提高轉(zhuǎn)化率的措施通過改變可逆反應體系的溫度、溶液的濃度、氣體的壓強(或濃度)等改變可逆反應的限度,從而提高轉(zhuǎn)化率。3.工業(yè)合成氨反應的適宜條件(1)理論分析增大合成氨的反應速率和提高平衡混合物中氨的含量對反應條件的要求不盡相同:對合成氨反應的影響影響因素濃度溫度壓強催化劑增大合成氨的反應速率

使用提高平衡混合物中氨的含量

增大反應物濃度

高溫

高壓

增大反應物濃度、減小生成物濃度

低溫

高壓

無影響

(2)實際工業(yè)合成氨反應的適宜條件

②溫度:700K左右。③催化劑:以

為主體的多成分催化劑。

④濃度:N2與H2的投料比(物質(zhì)的量之比)為1∶2.8。鐵

關(guān)鍵能力?提升考向1工業(yè)合成氨原理分析例1向一容積為2L的恒容密閉容器中充入1molN2和4molH2,在一定溫度下發(fā)生反應:N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

ΔH<0。10s時達到平衡,c(NH3)為0.4mol·L-1。下列說法正確的是(

)A.該反應達到平衡時H2的轉(zhuǎn)化率為40%B.降低溫度能使混合氣體的密度增大C.向該容器中充入N2,平衡正向移動D.研發(fā)高效催化劑可大大提高NH3的產(chǎn)率C解析

A項,根據(jù)題中數(shù)據(jù)可知,NH3的生成量為0.8

mol,則H2的減少量為1.2

mol,α(H2)=

×100%=30%;B項,降溫,平衡正向移動,但氣體總質(zhì)量不變,容器容積不變,則密度不變;C項,容積不變,充入N2,c(N2)增大,平衡正向移動;D項,催化劑不能使平衡發(fā)生移動,因此各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率不變、產(chǎn)率不變。[對點訓練1]

哈伯法合成氨的反應原理為N2(g)+3H2(g)

2NH3(g),新研制的催化劑可使該反應在常溫、常壓下進行,以氮氣和氫氣為反應物的燃料電池是利用氮氣的一種新方法。下列有關(guān)哈伯法合成氨反應的說法正確的是(

)A.若該反應能自發(fā)進行,則ΔH>0B.選用高效催化劑,可降低該反應的ΔHC.其他條件不變,增大起始n(N2)∶n(H2)的比值,可提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率D.提高體系的壓強可增大反應的化學平衡常數(shù)C解析

A項,該反應為熵減小的反應,若該反應能自發(fā)進行,則ΔH<0,錯誤;B項,催化劑不能改變反應的ΔH,錯誤;C項,其他條件不變,增大起始n(N2)∶n(H2)的比值,即相當于氫氣量不變時,增加氮氣的用量,平衡正向移動,可提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率,正確;D項,化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),溫度不變,平衡常數(shù)不變,錯誤?？枷?化工生產(chǎn)條件的分析及選擇例2(2023·遼寧卷,18節(jié)選)接觸法制硫酸的關(guān)鍵反應為SO2的催化氧化:(1)為尋求固定投料比下不同反應階段的最佳生產(chǎn)溫度,繪制相應轉(zhuǎn)化率(α)下反應速率(數(shù)值已略去)與溫度的關(guān)系如下圖所示,下列說法正確的是

(填字母)。

a.溫度越高,反應速率越大b.α=0.88的曲線代表平衡轉(zhuǎn)化率c.α越大,反應速率最大值對應溫度越低d.可根據(jù)不同α下的最大速率,選擇最佳生產(chǎn)溫度cd(2)為提高釩催化劑的綜合性能,我國科學家對其進行了改良。不同催化劑下,溫度和轉(zhuǎn)化率關(guān)系如下圖所示,催化性能最佳的是________(填字母)。

d解析

(1)該反應為放熱反應。從圖像看,隨著溫度升高,反應速率先增大后減小,a錯誤;隨著溫度升高,反應的轉(zhuǎn)化率應逐漸減小,圖像中曲線為不同溫度下的等轉(zhuǎn)化率下的反應速率曲線,b錯誤;由題圖可知,轉(zhuǎn)化率越高對應的反應速率最高的溫度越低,c正確;結(jié)合圖像的轉(zhuǎn)化率與速率最高的溫度可選取最佳生產(chǎn)溫度,d正確。(2)結(jié)合圖像可知,相對于a、b、c,d對應的催化劑隨著溫度的升高,SO2的轉(zhuǎn)化率升高得快,達到一定溫度后趨于平緩。[對點訓練2]“丁烯裂解法”是另一種重要的丙烯生產(chǎn)法,在生產(chǎn)過程中會有生成乙烯的副反應發(fā)生。反應如下:測得上述兩反應的平衡體系中,各組分的質(zhì)量分數(shù)(w)隨溫度(T)和壓強(p)變化的趨勢分別如圖甲和圖乙所示:(1)平衡體系中的C3H6(g)和C2H4(g)的質(zhì)量比是工業(yè)生產(chǎn)C3H6(g)時選擇反應條件的重要依據(jù)之一,從產(chǎn)物的純度考慮,該數(shù)值越高越好,據(jù)圖甲和圖乙判斷,反應條件應選擇________(填字母)。

A.300℃、0.1MPaB.700℃、0.1MPaC.300℃、0.5MPaD.700℃、0.5MPa(2)有研究者結(jié)合圖甲數(shù)據(jù)并綜合考慮各種因素,認為450℃的反應溫度比300℃或700℃更合適,從反應原理角度分析其理由可能是_____________________________________________________________。C300℃反應速率慢,700℃副反應的轉(zhuǎn)化率大于丁烯轉(zhuǎn)化成丙烯的轉(zhuǎn)化率解析

(1)由圖甲可知,300

℃時C2H4(g)的質(zhì)量分數(shù)接近于0,而溫度升高,C2H4(g)的質(zhì)量分數(shù)增大,故選擇300

℃;由圖乙可知,壓強增大,C2H4(g)的質(zhì)量分數(shù)減小,C3H6(g)的質(zhì)量分數(shù)增大,故選0.5

MPa,因此控制反應條件為300

℃、0.5

MPa。(2)溫度越低,反應速率越慢,由圖甲可知,300

℃時反應速率慢;溫度升高,C2H4(g)的質(zhì)量分數(shù)增大,700

℃的副反應的轉(zhuǎn)化率大于丁烯轉(zhuǎn)化成丙烯的轉(zhuǎn)化率。而450

℃時,C3H6(g)的質(zhì)量分數(shù)達到最大值,且C2H4(g)的質(zhì)量分數(shù)在10%左右,產(chǎn)物中C3H6(g)的含量較高,故450

℃更合適。素養(yǎng)發(fā)展進階進階1練易錯·避陷阱1.(2023·廣東深圳高級中學模擬)氨催化氧化是硝酸工業(yè)的基礎(chǔ)。工業(yè)上以氨氣和氧氣為原料,利用“氨催化氧化法”生產(chǎn)NO,在Pt-Rh合金催化作用下,發(fā)生主反應Ⅰ和副反應Ⅱ:Ⅰ.4NH3(g)+5O2(g)

4NO(g)+6H2O(g)Ⅱ.4NH3(g)+3O2(g)

2N2(g)+6H2O(g)現(xiàn)將1molNH3、2molO2充入1L恒容密閉容器中,在上述催化劑作用下,反應相同時間內(nèi),生成物的物質(zhì)的量隨溫度變化曲線如圖所示:下列說法不正確的是(

)A.該催化劑在低溫時對反應Ⅱ的選擇性更好B.520℃時,NH3的有效轉(zhuǎn)化率約為66.7%C.工業(yè)上氨催化氧化生成NO時,最佳溫度應控制在840℃左右D.高于400℃,n(N2)隨溫度升高而下降可能是反應Ⅱ的平衡逆向移動導致B解析

由圖可知,低溫時反應的主要產(chǎn)物為氮氣,即主要發(fā)生反應Ⅱ,說明該催化劑在低溫時對反應Ⅱ的選擇性更好,A正確;520

℃時,NH3發(fā)生反應Ⅰ生成NO

0.2

mol,消耗氨氣0.2

mol,NH3發(fā)生反應Ⅱ生成N2

0.2

mol,消耗氨氣0.4

mol,則NH3的有效轉(zhuǎn)化率為

×100%≈33.3%,B錯誤;840

℃時,反應相同時間內(nèi),NO的物質(zhì)的量最大,副產(chǎn)物N2的物質(zhì)的量最小,說明該溫度下最有利于NO的生成,因此工業(yè)上氨催化氧化生成NO時,最佳溫度應控制在840

℃左右,C正確;400

℃后n(N2)隨溫度升高而下降,其原因可能是:該反應為放熱反應,高于400

℃時平衡逆向移動,使得N2的物質(zhì)的量減少,D正確。2.(2024·江蘇南通調(diào)研)甲烷催化氧化為合成氣的主要反應有:A.反應Ⅰ為吸熱反應B.在700℃時,容器中生成的CO2的物質(zhì)的量為1.44molC.在500℃、600℃、700℃時都可能發(fā)生反應CH4(g)+H2O(g)3H2(g)+CO(g)D.該過程中,低溫有利于合成氣的生成C解析

由圖可知,升溫CH4轉(zhuǎn)化率增大,但不管反應是放熱還是吸熱,沒有達到平衡時升溫,正反應速率增大相同時間內(nèi)CH4轉(zhuǎn)化率都會增大,所以不能判斷反應是吸熱反應,A錯誤;在700

℃時,CH4轉(zhuǎn)化率為0.8,所以轉(zhuǎn)化的CH4為0.8×2

mol=1.6

mol,據(jù)C守恒可知CO與CO2共1.6

mol,又CO的選擇性為0.9,n(CO)=1.6

mol×0.9=1.44

mol,故n(CO2)=0.16

mol,B錯誤;對比500

℃、600

℃、700

℃圖中H2、CO的選擇性,H2選擇性變化較為平緩,CO選擇性變化較大,說明還有反應生成H2和CO,而且化學計量數(shù)之比和反應Ⅰ不同,所以該反應可能是CH4(g)+H2O(g)

3H2(g)+CO(g),C正確;800

℃時H2和CO的選擇性接近1,說明高溫有利于甲烷催化氧化為合成氣反應的進行,即高溫有利于合成氣的生成,D錯誤。進階2練熱點·提素能3.丙烯是制造一次性醫(yī)用口罩的重要原料。丙烷催化脫氫法是工業(yè)生產(chǎn)丙烯的重要途徑,丙烷催化脫氫技術(shù)主要分為氧化脫氫和直接脫氫兩種?；卮鹣铝袉栴}:(1)丙烷催化氧化脫氫法制備丙烯的主要反應如下:2C3H8(g)+O2(g)

2C3H6(g)+2H2O(g)

ΔH1=-236kJ·mol-1(ⅰ)反應過程中消耗的C3H8和生成的C3H6的物質(zhì)的量隨溫度的變化關(guān)系見下表。n(消耗)或n(生成)/mol反應溫度/K535550575C3H861333C3H64817分析表中數(shù)據(jù)得到丙烯的選擇性隨溫度的升高而________(填“不變”“升高”或“降低”);出現(xiàn)此結(jié)果的原因除生成乙烯等副產(chǎn)物外還可能是________________________________________________________。

降低

升高溫度,反應ⅰ的化學平衡逆向移動

①反應ⅱ的平衡常數(shù)、產(chǎn)物丙烯選擇性、副產(chǎn)物乙烯選擇性與溫度關(guān)系如圖所示,分析工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度為650℃左右的原因是___________________________________________________________。

②溫度為670℃時,若在1L的容器中投入8molC3H8,充分反應后,平衡混合氣體中有2molCH4和一定量C3H8、C3H6、H2、C2H4,計算該條件下C3H6的選擇性為________%。

溫度控制在650℃,丙烯選擇性高,反應速率快,平衡常數(shù)較大

50③欲使丙烯的產(chǎn)率提高,下列措施可行的是________(填字母)。

a.恒壓條件下向原料氣中摻雜水蒸氣b.增大氫氣與丙烷的投料比c.選擇對脫氫反應更好選擇性的催化劑d.增大壓強ac進階3研真題·明考向4.(2022·遼寧卷,18節(jié)選)工業(yè)合成氨是人類科學技術(shù)的一項重大突破,目前已有三位科學家因其獲得諾貝爾獎,其反應為N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)

ΔH=-92.4kJ·mol-1

ΔS=-200J·K-1·mol-1?；卮鹣铝袉栴}:(1)合成氨反應在常溫下________(填“能”或“不能”)自發(fā)。

(2)________(填“高”或“低”,下同)溫有利于提高反應速率,________溫有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率,綜合考慮催化劑(鐵觸媒)活性等因素,工業(yè)常采用400~500℃。

針對反應速率與平衡產(chǎn)率的矛盾,我國科學家提出了兩種解決方案。能

高

低

能

(3)方案二:M-LiH復合催化劑。

下列說法正確的是________(填字母)。

a.300℃時,復合催化劑比單一催化劑效率更高b.同溫同壓下,復合催化劑有利于提高氨的平衡產(chǎn)率c.溫度越高,復合催化劑活性一定越高a(4)某合成氨速率方程為v=kcα(N2)·cβ(H2)·cγ(NH3),根據(jù)表中數(shù)據(jù),γ=_______;在合成氨過程中,需要不斷分離出氨的原因為

(填字母)。

a.有利于平衡正向移動b.防止催化劑中毒c.提高正反應速率-1a解析

(1)對于合成氨反應,常溫下,ΔG=ΔH-TΔS=-92.4

kJ·mol-1-298

K×(-0.2

kJ·K-1·mol-1)=-32.8

kJ·mol-1<0,故合成氨反應在常溫下能自發(fā)。(2)其他條件一定時,升高溫度,可以提供更高的能量,使活化分子百分數(shù)增多,反應速率加快;合成氨反應是放熱反應,要提高平衡轉(zhuǎn)化率,即使反應平衡正向移動,應降低溫度。(3)由題圖可知,300

℃時,復合催化劑催化時合成氨反應的反應速率比單一催化劑催化時大很多,說明300

℃時復合催化劑比單一催化劑效率更高,a正確;同溫同壓下,復合催化劑能提高反應速率,但不能使平衡發(fā)生移動,故不能提高氨的平衡產(chǎn)率,b錯誤;溫度過高,復合催化劑可能會失去活性,催化效率反而降低,c錯誤。(4)將實驗1、3中數(shù)據(jù)分別代入合成氨的速率方程可得:①q=k·mα·nβ·pγ,③10q=k·mα·nβ·(0.1p)γ,兩式聯(lián)立可得γ=-1。合成氨過程中,不斷分離出氨,即降低體系中c(NH3),生成物濃度下降,平衡向正反應方向移動,但不會提高正反應速率,a正確、c錯誤;反應主產(chǎn)物即氨不能使催化劑中毒,b錯誤。5.(1)(2022·湖南選考卷,17節(jié)選)已知,ΔG=ΔH-TΔS,ΔG的值只決定于反應體系的始態(tài)和終態(tài),忽略ΔH、ΔS隨溫度的變化。若ΔG<0,則該反應可以自發(fā)進行。根據(jù)如圖判斷:600℃時,下列反應不能自發(fā)進行的是________。

A.C(s)+O2(g)═CO2(g)B.