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第39讲　化学反应的方向　化学反应的调控
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　化学反应的方向
1．自发反应
在一定条件下，无须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，越有利于反应自发进行。
3．化学反应方向的判断
(1)ΔG＝ΔH－TΔS
当ΔG＜0时，反应能自发进行；
当ΔG＝0时，反应处于平衡状态；
当ΔG＞0时，反应不能自发进行。
(2)一般规律
①ΔH＜0，ΔS＞0时，反应能自发进行；
②ΔH＞0，ΔS＜0时，反应不能自发进行；
③ΔH＞0，ΔS＞0时，高温可能自发进行；
④ΔH＜0，ΔS＜0时，低温可能自发进行。
正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)能自发进行的反应，反应速率一定很大。(　×　)
(2)用焓判据或熵判据判断同一反应进行的方向其结果相同。(　×　)
(3)低温更有利于2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的自发进行。(　√　)
(4)吸热过程没有自发进行的倾向性，但在一定条件下也可自发进行。(　√　)
(5)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。(　×　)
1．下列关于化学反应方向及其判据的说法中正确的是(　B　)
A．1 mol SO3在不同状态时的熵值：
S[SO3(s)]>S[SO3(l)]>S[SO3(g)]
B．常温下，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0
C．凡是需要加热的反应都不能自发进行
D．反应2KClO3(s)===2KCl(s)＋3O2(g)　ΔH>0能否自发进行与温度无关
解析：物质聚集状态不同，熵值不同，S(g)>S(l)>S(s)，1 mol SO3在不同状态时的熵值：S[SO3(s)]0，常温下不能自发进行，说明常温下ΔG＝ΔH－TΔS>0，所以该反应的ΔH>0，B正确；反应的自发性由焓变和熵变共同决定，当ΔG＝ΔH－TΔS<0时反应能自发进行，与是否需要加热没有必然联系，C错误；该反应的ΔH>0、ΔS>0，由ΔG＝ΔH－TΔS<0的反应可自发进行，可知题述反应能否自发进行与温度有关，D错误。
2．可用焓变和熵变来判断化学反应进行的方向，下列都是能自发进行的化学反应，其中是吸热反应且反应后熵增的是(　C　)
A．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
B．3Fe＋2O2===Fe3O4
C．(NH4)2CO3===NH4HCO3＋NH3↑
D．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
解析：2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑是放热反应，故A不符合题意；3Fe＋2O2===Fe3O4是放热反应，故B不符合题意；(NH4)2CO3===NH4HCO3＋NH3↑，反应属于分解反应，是吸热反应，产物气体化学计量数和大于反应物气体化学计量数，是熵增加的反应，故C符合题意；NaOH＋HCl===NaCl＋H2O是放热反应，故D不符合题意。
3．(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：不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，ΔG>0，反应不可能自发进行。
(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＜(填“＞”“＜”或“＝”)0，理由是该反应的ΔS＜0，因该反应能自发进行，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0可知ΔH＜0。
(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高温。
考点二　化学反应的调控——工业合成氨
1．合成氨反应的特点
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol-1，ΔS＝－198.2 J·mol-1·K-1。
合成氨反应是可逆反应，正反应是放热反应，正反应是气体分子数减小的反应。
2．工业合成氨反应的适宜条件
(1)从反应速率和反应限度两个角度选择反应条件
(2)实际工业合成氨反应的适宜条件
①压强：10 MPa～30 MPa。
②温度：400～500 ℃。
③催化剂：通常采用铁触媒。
④浓度：N2与H2的投料比(物质的量之比)为1∶2.8。
3．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
正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)充入的N2越多越有利于NH3的合成。(　×　)
(2)升高温度，化学反应速率一定增大，但转化率不一定增大。(　√　)
(3)合成氨温度选择500 ℃左右，主要是从反应速率角度考虑。(　√　)
(4)在合成氨工业中，加压可以加快反应速率，但压强过高，氨的产率会降低。(　×　)
(5)使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，可提高原料的利用率。(　√　)
题组一　工业合成氨条件的分析
1．氨既是一种重要的化工产品，又是一种重要的化工原料。如图为合成氨以及氨催化制硝酸的流程示意图。下列说法不正确的是(　B　)
A．可以利用NH3易液化的性质分离出NH3
B．合成氨反应需要在低温下进行
C．对原料气压缩是为了提高原料气的转化率
D．吸收塔中通入A是为了提高原料的利用率
解析：利用NH3易液化的性质分离出NH3，促进平衡正向进行，故A正确；低温有利于提高原料气的转化率，但不利于提高反应速率和催化剂发挥催化作用，因此合成氨不采用低温条件，故B错误；对原料气压缩相当于加压，增大压强，促进平衡正向移动，可以提高原料气的转化率，故C正确；一氧化氮与氧气反应生成二氧化氮，二氧化氮、氧气和水反应生成硝酸，A为O2，吸收塔中通入A是为了提高原料的利用率，故D正确。
2．德国化学家格哈德·埃特尔的成就之一是证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨气的反应过程，因此获取了诺贝尔化学奖，该反应过程模拟示意图如图。关于合成氨工艺，下列说法正确的是(　A　)
A．图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反应热
B．反应中有极性键的断裂与形成
C．当温度、体积一定时，在原料气中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
D．合成氨反应使用的条件为高温、高压是为了提高反应物的平衡转化率
解析：图①到图③为氮气和氢气中的化学键断裂的过程，图⑤到图③为氨气中化学键的断裂的过程，故图①到图③的活化能减去图⑤到图③的活化能就是合成氨反应的反应热，A正确；该反应过程为氮气和氢气反应生成氨气，反应过程中只有非极性键的断裂和极性键的形成，B错误；当温度、体积一定时，在原料气中添加少量惰性气体不影响各组分的浓度，因此不影响平衡，不能提高平衡转化率，C错误；合成氨的反应是气体总体积减小的放热反应，故高压是为了提高反应物的平衡转化率，但高温不是为了提高平衡转化率，D错误。
题组二　化工生产适宜条件的选择
3．(2024·江苏徐州高三期中)汽车安装尾气净化装置也可除去NOx，化学方程式为2NO2(g)＋4CO(g) N2(g)＋4CO2(g)，关于反应2NO2(g)＋4CO(g) N2(g)＋4CO2(g)，下列说法正确的是(　D　)
A．该反应的ΔS>0
B．选择合适的催化剂，可以使NO2完全转化成N2
C．及时移除N2、CO2，正反应速率增大，平衡向正反应方向移动
D．上述反应中每生成0.1 mol N2，转移电子的数目约为0.8×6.02×1023
解析：根据气体的化学计量数可知此反应的正反应是气体分子数减小的反应，所以该反应的ΔS<0，A错误；催化剂只能改变反应速率不能改变转化率，B错误；及时移除N2、CO2，逆反应速率减小，正反应速率开始不变，平衡向正反应方向移动，导致反应物浓度减小，正反应速率随之减小，C错误；题述反应中当生成1 mol氮气时，转移电子为8 mol，所以每生成0.1 mol N2，转移电子的数目约为0.8×6.02×1023，D正确。
4．钾是一种活泼的金属，工业上通常用金属钠和氯化钾在高温下反应制取。该反应为Na(l)＋KCl(l) NaCl(l)＋K(g)　ΔH>0。
该反应的平衡常数可表示为K＝c(K)，各物质的沸点与压强的关系见下表：
压强/kPa 13.33 53.32 101.3
K的沸点/℃ 590 710 770
Na的沸点/℃ 700 830 890
NaCl的沸点/℃ — — 1 437
KCl的沸点/℃ — — 1 465
(1)在常压下金属钾转变为气态从反应混合物中分离的最低温度约为770 ℃，而反应的最高温度应低于890 ℃。
(2)制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施是降低压强、移去钾蒸气(或适当升高温度)(任写两条)。
(3)常压下，当反应温度升高到900 ℃时，该反应的平衡常数可表示为K＝。
选择适宜工业生产条件的解题流程
(1)分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。
(2)原理分析。根据反应特点，利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。
(3)根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。
(4)根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。
1．(2022·浙江1月选考)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(　D　)
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
解析：强电解质NaOH溶于水放热，ΔH＜0，强电解质NH4Cl溶于水吸热，ΔH＞0，A、B错误；AB型强电解质固体溶于水转化为离子，混乱度增加，但离子在水中存在水合过程，使水的混乱度下降，所以整个溶解过程的熵变取决于固体转化为离子的熵增和水合过程的熵减两个作用的相对大小，若前者占主导，则溶解过程熵增，反之熵减，C错误，D正确。
2．(2023·江苏卷)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为
CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ·mol-1
CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ·mol-1
在密闭容器中，1.01×105 Pa、n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶4时，CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应相同时间所测得的CO2实际转化率随温度的变化如图所示。CH4的选择性可表示为×100%。下列说法正确的是(　D　)
A．反应2CO(g)＋2H2(g) CO2(g)＋CH4(g)的焓变ΔH＝－205.9 kJ·mol-1
B．CH4的平衡选择性随着温度的升高而增加
C．用该催化剂催化二氧化碳反应的最佳温度范围约为480～530 ℃
D．450 ℃时，提高的值或增大压强，均能使CO2平衡转化率达到X点的值
解析：由盖斯定律可知反应2CO(g)＋2H2(g) CO2(g)＋CH4(g)的焓变ΔH＝－2×41.2 kJ·mol-1－164.7 kJ·mol-1＝－247.1 kJ·mol-1，A错误；CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)为放热反应，升高温度平衡逆向移动，CH4的含量降低，而CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)为吸热反应，升高温度平衡正向移动，故CH4的平衡选择性随着温度的升高而减小，B错误；由题图可知温度范围约为350～400 ℃时二氧化碳实际转化率最高，此时为最佳温度，C错误；450 ℃时，提高的值可提高二氧化碳的平衡转化率，增大压强，反应Ⅰ平衡正向移动，可提高二氧化碳的平衡转化率，均能使CO2平衡转化率达到X点的值，D正确。
3．(1)(2024·贵州卷节选)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应：
ⅰ.CH4(g)―→C(s)＋2H2(g)　
ΔH1＝＋74.6 kJ·mol-1　
ΔS＝＋80.84 J·mol-1·K-1
ⅱ.6CH4(g)―→C6H6(l)＋9H2(g)　ΔH2
反应ⅰ在1 000 K时能(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)(2024·浙江6月选考节选)氢是清洁能源，硼氢化钠(NaBH4)是一种环境友好的固体储氢材料，其水解生氢反应方程式如下：(除非特别说明，本题中反应条件均为25 ℃，101 kPa)
NaBH4(s)＋2H2O(l)===NaBO2(aq)＋4H2(g)　ΔH<0
请回答：
①该反应能自发进行的条件是C(填字母)。
A．高温 B．低温
C．任意温度 D．无法判断
②资源的再利用和再循环有利于人类的可持续发展。选用如下方程式，可以设计能自发进行的多种制备方法，将反应副产物偏硼酸钠(NaBO2)再生为NaBH4。(已知：ΔG是反应的自由能变化量，其计算方法也遵循盖斯定律，可类比ΔH计算方法；当ΔG<0时，反应能自发进行。)
Ⅰ.NaBH4(s)＋2H2O(l)===NaBO2(s)＋4H2(g)　ΔG1＝－320 kJ/mol
Ⅱ.H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔG2＝－240 kJ/mol
Ⅲ.Mg(s)＋O2(g)===MgO(s)　ΔG3＝－570 kJ/mol
请书写一个方程式表示NaBO2再生为NaBH4的一种制备方法，并注明ΔG：NaBO2(s)＋2H2(g)＋2Mg(s)===NaBH4(s)＋2MgO(s) ΔG＝－340 kJ/mol。(要求：反应物不超过三种物质；氢原子利用率为100%。)
解析：(1)反应ⅰ.CH4(g)―→C(s)＋2H2(g)　ΔH1＝＋74.6 kJ·mol-1　ΔS＝＋80.84 J·mol-1·K-1，在1 000 K时，ΔG＝ΔH－TΔS＝＋74.6 kJ·mol-1－1 000 K×80.84×10-3 kJ·mol-1·K-1＝－6.24 kJ·mol-1＜0，故反应ⅰ在1 000 K时能自发进行。(2)①反应NaBH4(s)＋2H2O(l)===NaBO2(aq)＋4H2(g)　ΔH<0，ΔS＞0，由ΔG＝ΔH－TΔS可知，任意温度下，该反应均能自发进行，故选C。②结合题干信息，要使得氢原子利用率为100%，可由(2×反应Ⅲ)－(2×反应Ⅱ＋反应Ⅰ)，得NaBO2(s)＋2H2(g)＋2Mg(s)===NaBH4(s)＋2MgO(s)，ΔG＝2ΔG3－(2ΔG2＋ΔG1)＝2×(－570 kJ/mol)－[2×(－240 kJ/mol)＋(－320 kJ/mol)]＝－340 kJ/mol。
4．(2023·辽宁卷节选)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下)，副产物为亚硝基硫酸，主要反应如下：
NO2＋SO2＋H2O===NO＋H2SO4；
2NO＋O2===2NO2。
①上述过程中NO2的作用为催化剂。
②为了适应化工生产的需求，铅室法最终被接触法所代替，其主要原因是铅室法制硫酸过程中使用了污染空气的氮氧化合物、产品中存在杂质亚硝基硫酸(答出两点即可)。
(2)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化：
SO2(g)＋O2(g) SO3(g)　ΔH＝－98.9 kJ·mol-1。
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)与温度的关系如图所示，下列说法正确的是cd(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
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d(填字母)。
解析：(1)①根据所给的化学方程式，NO2在反应过程中先消耗再生成，说明NO2在反应中起催化剂的作用。②近年来，铅室法被接触法代替是因为在反应中使用了污染空气的氮氧化物，有NO和NO2放出影响空气环境，同时作为催化剂的NO2可以溶解在硫酸中生成亚硝基硫酸，影响产品质量，产率不高。(2)①根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出，随着温度的升高，反应速率先加快后减慢，a错误；从图中所给出的速率曲线可以看出，相同温度下，存在转化率大于0.88的情况，则该曲线不能代表平衡转化率，b错误；从图像可以看出随着转化率的增大，最大反应速率不断减小，最大反应速率出现的温度也逐渐降低，c正确；从图像可以看出随着转化率的增大，最大反应速率出现的温度也逐渐降低，这时可以根据不同转化率选择合适的反应温度以减少能源的消耗，d正确。②为了提高钒催化剂的综合性能，科学家对催化剂进行了改良，从图中可以看出相同温度下字母为d的催化剂(V K Cs Ce)对应的SO2的转化率最高，催化性能最佳。
课时作业39
(总分：60分)
一、选择题(每小题3分，共30分。每小题只有1个选项符合题意)
1．下列自发反应可用焓判据来解释的是(　C　)
A．2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g) ΔH＝＋56.7 kJ·mol-1
B．(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝＋74.9 kJ·mol-1
C．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol-1
D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ΔH＝＋178.2 kJ·mol-1
解析：从焓变的角度分析，化学反应由高能状态向低能状态转化，使体系能量降低的趋势，表现为放热反应较易进行。
2．合成氨工业上，采用氮氢循环操作的主要目的是(　C　)
A．加快反应速率
B．提高氨气的平衡浓度
C．提高氮气和氢气的利用率
D．降低氨气的沸点
解析：合成氨是可逆反应，原料不能完全转化为产物，采用氮氢循环操作的主要目的是提高氮气和氢气的利用率。
3．已知2A(g) 3B(g)＋C(g)　ΔH＞0，假设ΔH和ΔS不随温度变化而改变，下列说法中正确的是(　B　)
A．低温下能自发进行
B．高温下能自发进行
C．任何温度下都能自发进行
D．任何温度下都不能自发进行
解析：2A(g) 3B(g)＋C(g)　ΔH＞0，即正反应是气体体积增大的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＞0，由ΔH－TΔS＜0时反应可自发进行可知，该反应在高温下能自发进行，在低温下不能自发进行。
4．合成氨工业中，常加热至500 ℃，下列有关叙述正确的是(　A　)
A．为加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间
B．加快v正，减小v逆
C．使平衡向合成氨的方向移动
D．提高原料转化率
解析：合成氨是放热反应，从化学平衡角度来看，采用500 ℃的高温，不利于氨的合成。但是从提高反应速率和催化剂活性角度考虑，可采用适当的高温。
5．(2022·湖南卷节选)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(　C　)
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)
解析：由题图可知，600 ℃时，反应C(s)＋O2(g)===CO2(g)的ΔG<0，反应能自发进行，故A不符合题意；600 ℃时，反应2C(s)＋O2(g)===2CO(g)的ΔG<0，反应能自发进行，故B不符合题意；600 ℃时，反应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，反应TiO2(s)＋C(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋CO2(g)可由选项A反应＋选项C反应得到，且由题图中数据可知600 ℃时其ΔG<0，反应能自发进行，故D不符合题意。
6．已知体系自由能变化ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG<0时反应能自发进行，两个氢化反应的ΔG与温度的关系如图所示，下列说法正确的是(　C　)
A．反应①的ΔS<0
B．反应②在600 ℃时的反应速率很快
C．温度大于1 000 ℃时，反应①能自发进行
D．反应②的ΔH>0
解析：反应①随温度的升高，ΔG逐渐减小，则ΔS>0，故A错误；由题图可以推测自发反应时的温度，但无法推测温度对应的反应速率快慢，故B错误；反应①在温度大于1 000 ℃时ΔG<0，故此时反应①能自发进行，故C正确；根据图像和数学知识可知，反应②的ΔH<0，故D错误。
7．(2025·江苏泰州高三期中)反应Si(s)＋3HCl(g) SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH＝－225 kJ·mol-1。下列说法不正确的是(　C　)
A．该反应在低温下能自发进行是由于ΔH<0的影响
B．该反应的平衡常数K＝
C．实际生产中选择高温是因为高温时Si的平衡转化率比低温时大
D．其他条件不变时，可通过缩小体积增大压强提高Si的转化率
解析：反应自发进行应满足ΔG＝ΔH－TΔS＜0，该反应ΔS<0，所以该反应在低温下能自发进行是由于ΔH<0的影响，A项正确；硅为固体，不能体现在平衡常数中，根据平衡常数的定义，可知平衡常数表示正确，B项正确；该反应为放热反应，升温会使平衡逆向移动，Si的平衡转化率会减小，C项错误；该反应是气体化学计量数减小的反应，缩小体积增大压强会使反应平衡正向移动，提高Si的转化率，D项正确。
8．(2025·黑龙江哈尔滨九中期中)在523.15 K、7 MPa的条件下，乙烯通过固体酸催化可直接与水反应生成乙醇：C2H4(g)＋H2O(g) C2H5OH(g)。该反应的吉布斯自由能(ΔG＝ΔH－TΔS)与温度(T)的关系如图所示。下列说法正确的是(　A　)
A．该反应原子利用率为100%
B．加入更多的固体酸催化剂，有利于提高乙醇的平衡产率
C．由图像可知C2H4(g)＋H2O(g) C2H5OH(g)　ΔH>0
D．图中M点v正>v逆
解析：该反应为加成反应，原子利用率为100%，A正确；催化剂只能改变反应速率，不能提高平衡产率，B错误；反应C2H4(g)＋H2O(g) C2H5OH(g)的ΔS<0，由图可知，该反应在低温时ΔG<0，高温时ΔG>0，可知该反应在低温下能自发进行，则ΔH<0，C错误；当ΔG＝0时，反应处于平衡状态，M点为高温，相当于升高温度，平衡向吸热方向移动即逆向移动，则M点v正9．“丁烯裂解法” 是一种生产丙烯的方法，但生产过程中伴有生成乙烯的副反应发生，具体反应如下。主反应：3C4H84C3H6；副反应：C4H82C2H4。下图是平衡时各物质的百分含量随温度或压强的变化趋势：
从产物纯度的角度考虑，丙烯和乙烯的质量比越大越好，则下列反应条件最适宜的是(　C　)
A．300 ℃　0.1 MPa B．700 ℃　0.1 MPa
C．300 ℃　0.5 MPa D．700 ℃　0.5 MPa
解析：根据题意，从产物纯度的角度考虑，丙烯和乙烯的质量比越高越好，由温度对平衡时各物质的百分含量影响可知，300 ℃时丙烯和乙烯的质量比较大；根据压强对丙烯和乙烯的百分含量影响可知，在0.5 MPa时丙烯和乙烯的质量比较大，因此选择的条件是300 ℃、0.5 MPa。
10．(2025·湖南衡阳高三期中)利用石墨烯量子点为催化剂，将CO2转化为燃料甲烷，空间站基于该反应将航天员呼出的CO2转化为火箭燃料。将5 mol CO2和20 mol H2通入某恒压(压强为p0)密闭容器中，发生如下反应：
Ⅰ.CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－165 kJ·mol-1(主反应)
Ⅱ.CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41 kJ·mol-1(副反应)
平衡时容器中含碳元素物质的物质的量[n(X)]随温度(T)的变化如图甲、乙、丙曲线所示。
下列说法错误的是(　A　)
A．曲线甲、乙、丙分别表示CO2、CO、CH4
B．空间站中使CO2转化为燃料CH4的反应不能采用高温
C．1 050 K时，曲线丙逐渐下降的原因是以反应Ⅱ为主
D．800 K时反应Ⅰ的压强平衡常数Kp≈
解析：反应Ⅰ为放热反应，温度越低，越有利于反应Ⅰ正向移动，故甲为CH4，反应Ⅱ为吸热反应，温度越高，越有利于反应Ⅱ正向移动，故乙为CO，则丙为CO2，A项错误；空间站中使CO2转化为燃料CH4，由图可知，较低温度时，CO2的平衡转化率高，平衡时CH4的物质的量大，B项正确；曲线丙为CO2，高温主要进行反应Ⅱ，该反应正向移动，CO2的平衡转化率提高，含量下降，C项正确；800 K达到平衡时，CH4为3.8 mol，CO2为1.0 mol，CO为0.2 mol，根据三段式法计算：
　　　　　　　CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)
n(起始)/mol 5 20 0 0
n(转化)/mol 3.8 15.2 3.8 7.6
n(平衡)/mol 1.0 4.6 3.8 7.8
　　　　　　　CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)
n(起始)/mol 5 20 0 0
n(转化)/mol 0.2 0.2 0.2 0.2
n(平衡)/mol 1.0 4.6 0.2 7.8
容器中n(总)＝17.4 mol，反应Ⅰ中各气体的分压：p(CO2)＝p0，p(H2)＝p0，p(CH4)＝p0，p(H2O)＝p0，800 K时反应Ⅰ的Kp＝≈，D项正确。
二、非选择题(共30分)
11．(15分)氨在国民经济生产中占有重要地位。下图是合成氨的简要流程，化学方程式：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0。
(1)图中X的主要成分是N2、H2，这样操作的目的是提高原料的利用率。
(2)T ℃时在容积为2 L的密闭恒容容器中充入0.8 mol N2(g)和1.6 mol H2(g)，5 min后达到平衡，测得N2的浓度为0.2 mol/L。
①计算此段时间的反应速率v(NH3)＝0.08 mol/(L·min)，H2的转化率为75%。
②已知300 ℃时，K＝0.86，则(2)中的反应温度T<(填“>”“<”或“＝”)300。若向平衡后的体系中同时加入1.2 mol N2、1.6 mol H2、1.2 mol NH3，平衡将正向移动(填“正向移动”“不移动”或“逆向移动”)。
(3)下列措施可提高N2平衡转化率的是ab(填字母)。
a．恒容时充入H2，使体系总压强增大
b．恒容时将NH3从体系中分离
c．恒容时充入He，使体系总压强增大
d．加入合适的催化剂
(4)科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有实验报道：在低温、常压、光照条件下，N2在催化剂(掺有少量Fe2O3的TiO2)表面与水发生反应：2N2(g)＋6H2O(l) 4NH3(g)＋3O2(g)　ΔH＝＋765.2 kJ·mol-1。进一步研究NH3生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、压强1.0×105 Pa、反应时间3 h)：
T/K 303 313 323 353
NH3生成量/(×10-6 mol) 4.8 5.9 6.0 2.0
当温度高于323 K时，NH3的生成量反而降低的可能原因是催化剂失去活性；发生副反应，如氨气与氧气反应；温度升高，液态水脱离催化剂表面，降低了氮气在催化剂表面与水接触的概率。
解析：(1)冷凝器将氨气冷凝分离出后，氮气和氢气进入压缩机循环，则X的主要成分为N2、H2，这样操作的目的是提高原料的利用率。(2)①在容积为2 L的密闭恒容容器中充入0.8 mol N2(g)和1.6 mol H2(g)，开始时，氮气和氢气的浓度分别为0.4 mol/L和0.8 mol/L，5 min后达到平衡，测得N2的浓度为0.2 mol/L，氢气的浓度为0.8 mol/L－3×(0.4－0.2) mol/L＝0.2 mol/L，氨气的浓度为2×(0.4－0.2) mol/L＝0.4 mol/L，则此段时间的反应速率v(NH3)＝＝0.08 mol/(L·min)，消耗氢气的物质的量为3×(0.8－0.2×2) mol＝1.2 mol，则H2的转化率＝×100%＝×100%＝75%；②T ℃时，平衡常数K1＝＝＝100，300 ℃时，K＝0.86，相比于300 ℃，平衡常数增大，平衡正移，由于合成氨为放热反应，则T＜300，若向平衡后的体系中同时加入1.2 mol N2、1.6 mol H2、1.2 mol NH3，此时氮气、氢气和氨气的物质的量浓度分别为0.8 mol/L、1.0 mol/L、1.0 mol/L，Q＝＝＝1.2512．(15分)(2024·安徽A10联盟11月高三模拟)华东理工大学科研小组在甲醇(CH3OH)水蒸气重整(SR)制氢方面的研究成果为氢能源的生产提供了一种新途径。其主反应(SR)、副反应甲醇分解(DE)在CuO/Fe2O3催化剂上的反应原理如下：
主反应(SR)：CH3OH(g)＋H2O(g) CO2(g)＋3H2(g)　ΔH1＝＋49 kJ·mol-1
副反应(DE)：CH3OH(g) CO(g)＋2H2(g)　ΔH2>0
请回答下列问题：
(1)副反应(DE)的能量变化如图1所示，则ΔH2＝＋92 kJ·mol-1。
(2)甲醇(CH3OH)水蒸气重整反应体系中，甲醇(CH3OH)平衡转化率和CO的选择性随温度的变化如图2所示。
①升高温度CH3OH平衡转化率增大的原因是主副反应的ΔH>0，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，故CH3OH转化率增大。
②从图2知主反应的适宜温度范围在240～250 ℃。
(3)甲醇(CH3OH)水蒸气重整反应体系中，甲醇(CH3OH)平衡转化率和CO的选择性随n(H2O)∶n(CH3OH)的变化如图3所示。
①从图3中可以看出n(H2O)∶n(CH3OH)为2.0时，CH3OH的转化率接近100%，CO的选择性<1%，此时最有利于主反应，而实际生产中选择n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2，其可能原因是提高n(H2O)∶n(CH3OH)时，水汽化需要消耗大量的能量[或n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2时副反应CO的选择性只占3.5%左右，生成的CO和H2的合成气可以回收利用，只要答一个即可，答案合理即可]。
②在甲醇(CH3OH)水蒸气重整反应体系中，通入6 mol水蒸气；若n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2，CH3OH的转化率为96%，CO的选择性为3.5%，则生成H2的物质的量为14.232 mol。
解析：(1)根据图1所示，则ΔH2＝(2 032－1 940) kJ·mol-1＝＋92 kJ·mol-1。(2)①升高温度CH3OH平衡转化率增大的原因是主副反应的ΔH>0，升高温度，平衡向吸热反应方向移动，故CH3OH转化率增大；②从图2知240～250 ℃时甲醇的转化率接近100%，且此时副反应的选择性较低，故主反应的适宜温度在240～250 ℃。(3)①从图3中可以看出n(H2O)∶n(CH3OH)为2.0时CH3OH的转化率接近100%，CO的选择性<1%，此时最有利于主反应，而实际生产中选择n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2，其可能原因是提高n(H2O)∶n(CH3OH)时，水汽化需要消耗大量的能量或n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2时副反应CO的选择性只占3.5%左右，生成的CO和H2的合成气可以回收利用。②在甲醇(CH3OH)水蒸气重整反应体系中，通入6 mol水蒸气；若n(H2O)∶n(CH3OH)＝1.2，则CH3OH为5 mol，CH3OH的转化率为96%，CO的选择性为3.5%，CO2的选择性为96.5%，则生成H2的物质的量为(5 mol×96%×96.5%×3＋5 mol×96%×3.5%×2)＝14.232 mol。

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