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第40讲　化学反应的方向与调控
(说明:选择题每小题3分)
层次1基础性
1.(2024·广东卷)按如图装置进行实验。搅拌一段时间后,滴加浓盐酸。不同反应阶段的预期现象及其相应推理均合理的是(　　)
A.烧瓶壁会变冷,说明存在ΔH<0的反应
B.试纸会变蓝,说明有NH3生成,产氨过程熵增
C.滴加浓盐酸后,有白烟产生,说明有NH4Cl升华
D.实验过程中,气球会一直变大,说明体系压强增大
2.随着汽车使用量增大,尾气污染已经受到人们的普遍关注。研究表明,常温常压下存在反应:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)　ΔH=-746.8 kJ·mol-1,ΔS=-197.5 J·mol-1·K-1。下列说法与事实不相符的是(　　)
A.常温下,ΔH-TΔS>0,此反应不能自发进行
B.常温下,ΔH-TΔS<0,但CO和NO通常难以转化为N2和CO2
C.汽车尾气中含有较多的CO和NO,是因为该反应的活化能较高
D.要有效降低汽车尾气中的CO和NO含量,应该寻找高效廉价的催化剂
3.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
4.一定条件下:2NO2(g)N2O4(g)　ΔH<0。在测定NO2的相对分子质量时,下列条件中,测定结果误差最小的是(　　)
A.温度0 ℃、压强50 kPa
B.温度130 ℃、压强300 kPa
C.温度25 ℃、压强100 kPa
D.温度130 ℃、压强50 kPa
5.(2024·浙江七彩阳光联盟联考)下列对于化学反应方向说法正确的是(　　)
A.反应2A(g)+B(g)3C(s)+D(g)在一定条件下能自发进行,说明该反应的ΔH>0
B.常温下,反应2Na2SO3(s)+O2(g)2Na2SO4(s)能自发进行,则有ΔH<0
C.反应2Mg(s)+CO2(g)C(s)+2MgO(s)在一定条件下能自发进行,则该反应的ΔH>0
D.一定温度下,反应2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)的ΔH<0,ΔS>0
6.(8分)(2022·辽宁卷节选)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,该反应为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)　　　　　(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。
(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
(4)某合成氨速率方程为v=k·cα(N2)·cβ(H2)·cγ(NH3),根据表中数据,γ=　　　　　;
实验
1 m n p q
2 2m n p 2q
3 m n 0.1p 10q
4 m 2n p 2.828q
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
层次2综合性
7.(2024·北京大兴区统考)CO可用于合成甲醇,化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.该反应ΔH>0
B.温度越高,反应速率越大,故实际生产中选择350 ℃
C.实际生产中常加入催化剂,增大反应速率,提高CH3OH的产率
D.实际生产条件可选择控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右
8.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器容积不变,固体试样体积忽略不计),使其达到分解平衡:NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。该条件下的平衡数据如下表,下列说法正确的是(　　)
温度/℃ 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0
平衡总压强/kPa 5.7 8.3 12.0 17.1 24.0
2.4 3.4 4.8 6.8 9.4
A.该可逆反应达到平衡的标志之一是混合气体平均相对分子质量不变
B.因该反应熵变ΔS大于0,焓变ΔH大于0,所以在低温下正向自发进行
C.达到平衡后,若在恒温下压缩容器容积,氨基甲酸铵固体的质量增加
D.根据表中数据,计算15.0 ℃时NH3的平衡浓度为1.6 mol·L-1
层次3创新性
9.(1)(3分)(2022·湖南选考卷节选)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.2C(s)+O2(g)2CO(g)
C.TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g)
D.TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+CO2(g)
(2)(2分)(2022·浙江1月选考卷节选)在C和O2的反应体系中:
反应①:C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1=-394 kJ·mol-1
反应②:2CO(g)+O2(g)2CO2(g)　ΔH2=-566 kJ·mol-1
反应③:2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH3
设ΔG=ΔH-TΔS,反应①、②和③的ΔG随温度T的变化关系如图所示。图中对应反应③的线条是　　　　　　。
第40讲　化学反应的方向与调控
1.B　解析:NH4Cl和Ba(OH)2·8H2O的反应是吸热反应,所以烧瓶壁变冷,吸热反应ΔH>0,A错误;试纸会变蓝,说明有NH3生成,反应物都是固体,生成物中有气体,故产氨过程熵增,B正确;滴加浓盐酸后,有白烟产生,说明体系中有氨气,是NH4Cl和Ba(OH)2·8H2O反应产生的,不是NH4Cl的升华,C错误;实验过程中,气球会一直变大,是因为反应产生了气体,但是膨胀以后压强就和外界压强一样了,D错误。
2.A　解析:常温下,反应2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)的ΔH<0、ΔS<0,ΔH-TΔS=(-746.8 kJ·mol-1)-298 K×(-0.197 5 kJ·mol-1·K-1)=-687.945 kJ·mol-1<0,则该反应常温下能自发进行,A错误;常温下,ΔH-TΔS<0,但CO和NO通常难以转化为N2和CO2,必须寻找高效催化剂,B正确;该反应的活化能较高,反应速率较慢,故汽车尾气中含有较多的CO和NO,C正确;要有效降低汽车尾气中的CO和NO的含量,应该寻找高效廉价的催化剂,降低反应的活化能,提高反应速率,D正确。
3.C　解析:由题图可知,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 ℃,故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。
4.D　解析:测定二氧化氮的相对分子质量,要使测定结果误差最小,应该使混合气体中NO2的含量越多越好,为了实现该目的,应该改变条件使平衡尽可能地逆向移动。正反应是一个反应后气体分子数减小的放热反应,可以通过减小压强、升高温度使平衡逆向移动,则选项中,温度高的为130 ℃,压强低的为50 kPa,结合二者选D。
5.B　解析:反应2A(g)+B(g)3C(s)+D(g)是熵减的反应,在一定条件下能自发进行,根据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,A错误;反应2Na2SO3(s)+O2(g)2Na2SO4(s)是熵减的反应,常温下能自发进行,根据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,B正确;反应2Mg(s)+CO2(g)C(s)+2MgO(s)是熵减的反应,在一定条件下能自发进行,根据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,C错误;反应2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)是分解反应,该反应的ΔH>0,D错误。
6.答案 (1)能　(2)高　低　(3)a　(4)-1　a
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进行。
(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。
7.D　解析:由图可知,压强一定时,随着温度的升高,CO的转化率变小,说明升高温度,平衡逆向移动,故该反应ΔH<0,A错误;该反应是放热反应,温度越高,反应正向进行的程度越小,故应选择250 ℃,B错误;实际生产中常加入催化剂,增大反应速率,缩短达到平衡所需时间,但不能使平衡移动,故不能提高CH3OH的产率,C错误;由图可知,压强在1.3×104 kPa时,CO的转化率较高,随后增大压强,CO的转化率变化较小,故实际生产条件可选择控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右,D正确。
8.C　解析:根据化学方程式NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)可知,生成的气体的物质的量之比始终是2∶1,所以气体的平均相对分子质量始终不变,故不能作为达到平衡状态的判断依据,A项错误;从表中数据可以看出,随着温度升高,气体的总浓度增大,平衡正向移动,则该反应的正反应为吸热反应,ΔH>0,反应中固体变为气体,混乱度增大,ΔS>0,根据ΔG=ΔH-TΔS可知反应在高温下正向自发进行,B项错误;压缩容器容积,气体压强增大,平衡逆向移动,氨基甲酸铵固体的质量增加,C项正确;反应中生成的氨和二氧化碳的浓度之比为2∶1,总浓度为2.4×10-3 mol·L-1,所以氨的浓度为1.6×10-3 mol·L-1,D项错误。
9.答案 (1)C　(2)a
解析:(1)由图可知,600 ℃时C(s)+O2(g)CO2(g)的ΔG<0,反应自发进行,故A不符合题意;由图可知,600 ℃时2C(s)+O2(g)2CO(g)的ΔG<0,反应自发进行,故B不符合题意;由图可知,600 ℃时TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g)的ΔG>0,反应不能自发进行,故C符合题意;根据盖斯定律,TiO2(s)+C(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+CO2(g)可由C(s)+O2(g)CO2(g)与TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g)相加得到,再根据题给图像中的数据可得,600 ℃时其ΔG<0,反应自发进行,故D不符合题意。
(2)由已知方程式:2×反应①-反应②=反应③,结合盖斯定律得:ΔH3=2ΔH1-ΔH2=-222 kJ·mol-1,反应①前后气体分子数不变,升温ΔG不变,对应线条b,升温促进反应②平衡逆向移动,气体分子数增多,ΔG的值增大,对应线条c,升温促进反应③平衡逆向移动,气体分子数减小,ΔG的值减小,对应线条a。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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