资源简介

第43讲　化学反应的方向与调控
1.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。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.判断化学反应方向的判据
ΔG=ΔH-TΔS
(1)ΔG<0时,反应能自发进行。
(2)ΔG=0时,反应处于平衡状态。
(3)ΔG>0时,反应不能自发进行。
判断正误。
(1)非自发反应,一定条件下也能使其反应发生。(　√　)
(2)ΔH<0,ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行。(　×　)
(3)一定温度下,反应MgCl2(l) Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0。(　√　)
(4)反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0。(　√　)
1.下列不属于自发进行的变化是(　C　)
A.红墨水加到清水使整杯水变红
B.冰在室温下融化成水
C.水电解生成氢气和氧气
D.铁器在潮湿的空气中生锈
解析:红墨水浓度大于水,粒子向浓度低的方向扩散,是自发进行的物理变化,A不符合题意;冰的熔点为0 ℃,水常温下是液体,冰在室温下融化成水,是自发进行的物理变化,B不符合题意;水电解生成氢气和氧气,是强制发生的氧化还原反应,不能自发进行,C符合题意;铁在潮湿的空气中生锈是发生了电化学腐蚀,是自发进行的化学变化,D不符合题意。
2.(2025·河北秦皇岛模拟)下列有关化学反应方向及其判据的说法中错误的是(　C　)
A.1 mol H2O在不同状态时的熵值:S[H2O(l)]B.反应CaCO3(s)===CaO(g)+CO2(g)　ΔH>0能否自发进行与温度有关
C.H2O2分解和HClO分解均是自发过程,故这两个反应的ΔH和ΔS的变化相同
D.常温下,反应4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)能自发进行,则该反应的ΔH<0
解析:物质聚集状态不同熵值不同,同一物质的熵值:气体>液体>固体,1 mol H2O在不同状态时的熵值:S[H2O(l)]0,ΔS>0,根据ΔH-TΔS<0判断反应能否自发进行,ΔH-TΔS<0与温度有关,故B正确;反应自发只能说明ΔH-TΔS<0,不能说明ΔH和ΔS的变化相同,故C错误;该反应的ΔS<0,若能自发进行,ΔH-TΔS<0,则ΔH必须小于0,故D正确。
考点二　化学反应的调控
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·K-1·mol-1。
2.合成氨工业的条件选择
已知合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)。
反应 条件 原理分析 实际工业 生产条件
提高反应速率 提高平衡转化率
压强 高压 高压 10 MPa~30 MPa
温度 高温 低温 400~500 ℃
催化剂 使用 无影响 铁触媒作催化剂
浓度 增大氮气、氢气的浓度,减小氨气的浓度 增大反应物的浓度,降低生成物的浓度 N2、H2投料比为1︰2.8。氨及时从混合气中分离出去,剩余气体循环使用
(1)合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑什么因素
考虑速率因素,500 ℃时催化剂的催化活性最好,反应速率最快。
(2)合成氨时一般采用的压强为10 MPa~30 MPa的原因是什么
合成氨时增大压强尽管可以同时提高反应速率和反应物的转化率。但是,压强越大,对材料的强度和设备的要求也越高,增加生产投资并可能降低综合经济效益。
1.德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而大大满足了当时的生产需求。如图是合成氨生产流程示意图,下列说法不正确的是(　D　)
A.“干燥净化”可以防止催化剂中毒
B.“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率
C.“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率
D.“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热
解析:合成氨反应的原料中含有能使催化剂中毒的杂质,所以“干燥净化”可以防止催化剂中毒,故A正确;合成氨反应是气体体积减小的反应,增大压强,化学反应速率加快,平衡向正反应方向移动,原料的转化率增大,所以“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率,故B正确;氨气易液化,冷却时氨气转化为液氨,生成物的浓度减小,平衡向正反应方向移动,原料的转化率增大,所以“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率,故C正确;合成氨反应为放热反应,“铁触媒”在生产过程中可以通过反应放出的热量和热交换达到反应所需的温度,不需使用外加热源持续加热,故D错误。
2.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g),下列叙述错误的是(　B　)
A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B.反应需在300 ℃进行可推测该反应是吸热反应
C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
解析:使用Cu-Zn-Fe催化剂可加快反应速率,能大大提高生产效率,A项正确;反应加热与反应放热还是吸热没有直接的关系,如煤的燃烧放热,但需要加热,B项错误;充入大量CO2气体平衡会正向移动,所以可提高H2的转化率,C项正确;从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O会使平衡正向移动,所以可提高CO2和H2的利用率,D项正确。
3.工业合成甲醇的反应为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。反应相同时间,实验测得甲醇的产率与压强,温度的关系分别如图1、图2所示。下列叙述正确的是(　C　)
A.合成甲醇时压强越大越好
B.增大压强,正反应速率增大,逆反应速率减小
C.合成甲醇的最佳温度为520 K
D.520 K之前升高温度单位时间内甲醇的产率减小
解析:虽然增大压强能加快反应速率、使平衡正向移动而提高甲醇的产率,但压强越大,对材料的强度和设备的制造要求也越高,需要的动力也越大,这将会大大增加生产投资,并可能降低综合经济效益,故合成甲醇时不是压强越大越好,A项错误;增大压强,正、逆反应速率都增大,B项错误;根据题图2可知,520 K时甲醇的产率最大,合成甲醇的最佳温度为520 K,C项正确;由题图2可知,反应相同时间,520 K之前反应未达到平衡状态,升高温度,反应速率加快,单位时间内甲醇的产率增大,D项错误。
1.(2025·广东卷节选)298 K下,反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)===TiCl4(g)+2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0,则298 K下该反应能(填“能”或“不能”)自发进行。
解析:反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)===TiCl4(g)+2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0,则根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应可自发进行可知,该反应在298 K下能自发进行。
2.(2025·浙江1月选考节选)工业中常用如下反应生产HCON(CH3)2:(CH3)2NH(g)+CO(g) ===HCON(CH3)2(l)。某条件下反应自发且熵减,则反应在该条件下ΔH<(填“>”“<”或“=”)0。
解析:(CH3)2NH(g)+CO(g)===HCON(CH3)2(l)是一个某条件下自发且熵减的反应,根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发可知,则在该条件下反应的ΔH<0。
3.(2025·湖南卷节选)在反应器中,发生反应:
C4H8(g)+H2(g) C4H10(g)的ΔH=-126 kJ·mol-1,该反应B(填字母)。
A.高温自发 B.低温自发
C.高温低温均自发 D.高温低温均不自发
解析:该反应是熵减的放热反应,则依据ΔG=ΔH-TΔS<0反应能自发进行,则低温下自发进行,故选B。
4.(2024·上海卷节选)若反应Al2Br6(l) 2Al(g)+6Br(g)　ΔH自发进行,由图可知,该反应的A(填字母)。
A.ΔH>0,ΔS>0
B.ΔH<0,ΔS>0
C.ΔH>0,ΔS<0
D.ΔH<0,ΔS<0
解析:由ΔG=ΔH-TΔS可得ΔG=-ΔST+ΔH,根据图像可知,该直线的斜率小于0,纵截距大于0,即-ΔS<0,ΔH>0,故结果为ΔS>0,ΔH>0,选项A正确。
5.(2024·浙江6月选考)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据如表,下列说法不正确的是(　D　)
温度/℃ 400 500 600
乙烷转化率/% 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性/% 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
解析:由题表可知,相同温度下,乙烷在发生转化时,反应Ⅰ更易发生,则反应活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正确;由题表可知,500 ℃时,乙烷的转化率为9.0%,可得转化的乙烷的总物质的量为2 mol×9.0%=0.18 mol,而此温度下乙烯的选择性为80%,则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80%=0.144 mol,根据化学方程式可得,生成乙烯的物质的量为0.144 mol,则0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正确;其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),反应Ⅰ正向进行,可提高乙烯的产率,C正确;其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2转化率提高,C2H6转化率降低,D错误。
课时作业43(总分:60分)
1.(3分)(2025·甘肃兰州模拟)Deacon催化氧化法将HCl转化为Cl2的反应为4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)　ΔH<0。下列关于Deacon催化氧化法制Cl2的说法错误的是(　D　)
A.该反应的ΔS<0
B.该反应的平衡常数K=
C.使用合适的催化剂可提高化学反应速率,但不影响HCl的平衡转化率
D.该反应在高温下可自发进行
2.(3分)某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　D　)
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
解析:工业上合成M可能采用常压如硫酸工业中SO3的生成,A错误;加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低,B错误;温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低,C错误;使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率,D正确。
3.(3分)下表中内容与结论相对应的是(　B　)
选项 内容 结论
A H2O(g)变成H2O(l) ΔS>0
B 硝酸铵溶于水可自发进行 该过程的ΔS>0
C 一个反应的ΔH>0,ΔS>0 该反应一定不能自发进行
D H2(g)+F2(g) 2HF(g)的ΔH=-546.6 kJ·mol-1,ΔS=+173.8 J·mol-1·K-1 该反应在任意温度下都不能自发进行
解析:物质由气态变为液态,混乱度减小,即ΔS<0,A项不符合题意;硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程,ΔS>0,该过程可自发进行,B项符合题意;ΔH>0,ΔS>0时,根据复合判据可知,高温时ΔH-TΔS<0,即高温条件下,该反应能自发进行,C项不符合题意;由ΔH<0,ΔS>0知,ΔH-TΔS<0,该反应在任意温度下都能自发进行,D项不符合题意。
4.(3分)(2025·山东烟台模拟)焦炭常用于冶炼工业。已知反应①2C(s)+O2(g)===2CO(g);反应②2CO(g)+O2(g)===2CO2(g),反应①②的反应趋势与温度的关系如图所示。下列说法错误的是(　C　)
A.反应②的ΔS<0,ΔH<0
B.983 K是反应趋势变化的转折点
C.L1对应反应①
D.当温度低于983 K时,过量焦炭的氧化产物以CO2为主
解析:反应②为反应前后气体分子数减小的反应,ΔS<0,燃烧反应属于放热反应,ΔH<0,A正确;ΔG越小,说明反应的趋势越大,983 K时两反应的ΔG相等,所以983 K是反应趋势变化的转折点,B正确;反应①的ΔS>0,ΔG和T成反比,所以斜率小于0,L2对应反应①,C错误;当温度低于983 K时,L1的ΔG更小,所以以反应②为主,产物以CO2为主,D正确。
5.(3分)(2025·河北石家庄模拟)我国科学家研发出一种新型双温催化剂Fe-TiO2-xHy,该催化剂催化N2和H2合成NH3(反应体系温度为495 ℃)的原理如图所示,下列分析错误的是(　C　)
A.“热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化
B.“热Fe”有利于N2快速转化为N
C.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成氨反应速率
D.该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺中存在的反应速率和平衡产率的矛盾
解析:由图可知,“热Fe”上的变化为N2===N,“冷Ti”上发生的变化为H2===3H,氮原子和氢原子在“冷Ti”上生成氨气,合成氨反应为放热反应,“热Fe”高于体系温度,有利于氮氮共价键的断裂,加快反应速率,“冷Ti”低于体系温度,有利于平衡向正反应方向移动,提高氨气的产率。由分析可知,“热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化,故A正确;由分析可知,“热Fe”能加快反应速率,有利于N2快速转化为N,故B正确;“冷Ti”低于体系温度,不利于提高合成氨反应速率,故C错误;由分析可知,该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺中存在的反应速率和平衡产率的矛盾,故D正确。
6.(3分)(2025·湖北武汉模拟)工业上以黄铁矿(主要成分为FeS2)为原料生产硫酸的主要流程如下。
已知:步骤Ⅱ中SO2的平衡转化率随温度和压强的变化情况如表。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
下列说法错误的是(　C　)
A.步骤Ⅰ中出炉气需净化,能防止步骤Ⅱ中催化剂中毒
B.步骤Ⅱ中通入过量的空气,目的是提高SO2的平衡转化率
C.步骤Ⅱ实际生产中应选择450 ℃和10 MPa
D.步骤Ⅲ中吸收塔内常采用逆流喷淋式,提高SO3的吸收效率
解析:步骤Ⅰ中产生的二氧化硫不纯,含有杂质,因此步骤Ⅰ中出炉气需净化,能防止步骤Ⅱ中催化剂中毒,故A正确;步骤Ⅱ中通入过量的空气,目的是提供足够的氧气,使平衡正向移动,该操作可以提高SO2的平衡转化率,故B正确;根据表格数据,450 ℃和10 MPa时SO2的转化率最高,但压强由1 MPa升高到10 MPa,二氧化硫的转化率提升并不明显,因此实际生产中需要考虑成本和设备承受能力,通常选择450 ℃和1 MPa,故C错误;步骤Ⅲ中吸收塔内常采用逆流喷淋式,逆流喷淋可以增加气液接触面积,提高SO3的吸收效率,故D正确。
7.(3分)假定X2与Y2都是理想气体(气体本身不占体积,不考虑气体间相互作用,不考虑碰撞能量损失),在如图所示的过程中,下列说法正确的是(　C　)
A.若X2、Y2均为O2,则ΔS>0,混合过程自发进行
B.若X2、Y2均为O2,则ΔS<0,混合过程不自发
C.若X2、Y2分别为N2与O2,则ΔS>0,混合过程自发进行
D.若X2、Y2分别为N2与O2,则ΔS<0,混合过程不自发
解析:若X2、Y2均为O2,混合前后气体浓度、分压、温度均相同,则ΔS=0,混合过程自发进行,A、B错误;若X2、Y2分别为N2与O2,混合前后气体温度均相同,但浓度、分压均减小,则ΔS>0,混合过程自发进行,C正确,D错误。
8.(3分)某温度下发生反应:3H2(g)+N2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ/mol,N2的转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示,下列说法中正确的是(　C　)
A.将1 mol N2、3 mol H2置于1 L密闭容器中发生反应,放出的热量为92.4 kJ
B.平衡状态由A变到B时,平衡常数KAC.上述反应在达到平衡后,增大压强,H2的转化率增大
D.合成氨工业中常采用400~500 ℃的高温以提高原料的转化率
解析:因为是可逆反应,所以不可能生成2 mol氨气,因此放出的热量小于92.4 kJ,A错误;平衡常数只与温度有关系,所以平衡状态由A变到B时,平衡常数不变,B错误;根据图像可知,增大压强,平衡向正反应方向移动,氢气转化率提高,C正确;升高温度,平衡向逆反应方向移动,合成氨工业中常采用400~500 ℃的高温,是因为催化剂在该温度下催化效率高,D错误。
9.(3分)相同的温度和压强下,下列有关两个反应的说法不正确的是(　B　)
反应 ΔH/(kJ·mol-1) Δn ΔS/(J·K-1·mol-1)
MgCO3(s) MgO(s)+CO2(g) 117.6 1 a
CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) 177.9 1 b
注:①其中Δn表示反应方程式中气体化学计量数之差;②ΔH-TΔS<0的反应方向自发。
A.因为Δn相同,所以a与b大小相近
B.热分解温度:MgCO3(s)>CaCO3(s)
C.a-b=S[MgO(s)]+S[CaCO3(s)]-
S[MgCO3(s)]-S[CaO(s)]
D.两个反应在不同温度下的ΔH和Δn都大于零
解析:熵变的大小与气体体积的改变大小有关,由方程式可知,两反应中气体化学计量数之差相同,则反应的熵变a与b大小相近,故A正确;MgCO3和CaCO3都为离子晶体,Mg2+和Ca2+所带电荷相等,由于Mg2+半径小于Ca2+半径,MgO中的离子键强于CaO中的离子键,故Mg2+比Ca2+更易与碳酸根离子中的氧离子结合,使碳酸根离子分解为CO2,则MgCO3的热分解温度小于CaCO3,故B错误;由方程式可知,两反应中气体化学计量数之差相同,则反应的熵变a与b的差值为a-b=S[MgO(s)]+S[CaCO3(s)]-S[MgCO3(s)]-S[CaO(s)],故C正确;由表格数据可知,两个反应都是气体体积增大的吸热反应,则两个反应在不同温度下的ΔH和Δn都大于零,故D正确。
10.(3分)(2025·安徽马鞍山模拟)已知:
反应Ⅰ.COS(g)+H2(g) CO(g)+H2S(g)
反应Ⅱ.COS(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2S(g)
在恒压条件下,按n(COS)︰n(H2)=1︰1投料比进行反应,含碳物质的平衡体积分数随温度的变化如图所示。
下列说法正确的是(　D　)
A.反应Ⅱ高温易自发进行
B.加入合适的催化剂可使Q点上移
C.随着温度的升高,COS的转化率减小
D.R点反应Ⅰ的平衡常数K为1
解析:反应中CH3OH的平衡体积分数随着温度升高而减小,说明反应Ⅱ:COS(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2S(g),正反应为放热反应,ΔH<0,ΔS<0,反应在低温下易自发进行,故A错误;催化剂可加快反应速率,但不能使平衡发生移动,也不能使Q点上移,故B错误;反应中CO的平衡体积分数随着温度升高而升高,说明升高温度,反应Ⅰ正向进行,反应中CH3OH的平衡体积分数随着温度升高而减小,说明升高温度,反应Ⅱ逆向进行,COS的转化率变化取决于两个反应谁占主导,由题图可知,随温度升高,COS的平衡体积分数一直减小,说明反应Ⅰ占主导,故随着温度的升高,COS的转化率增大,故C错误;从图中可知R点COS、CO平衡体积分数均为25%,n(CH3OH)=0 mol,恒压条件下,按n(COS)︰n(H2)=1︰1投料比进行反应,设n(COS)=n(H2)=1 mol,生成CO的物质的量为a mol,
　　　　　　　COS(g)+H2(g) CO(g)+H2S(g)
变化量/mol　　　a　　　a　　　　a　　 　a
平衡时n(COS)=(1-a)mol、n(H2)=(1-a)mol、n(CO)=a mol、n(H2S)=a mol,n(总)=2 mol,R点COS、CO平衡体积分数相等均为25%,可知×100%=25%,解得a=,故n(COS)= mol、n(CO)= mol、n(H2S)= mol、n(H2)= mol,反应Ⅰ前后气体分子数不变,可用物质的量来计算平衡常数,平衡常数K==1,故D正确。
11.(14分)(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,下同)。
A.高温 B.低温
C.任意温度 D.无法判断
(2)该反应比较缓慢。忽略体积变化的影响,下列措施中可加快反应速率的是AC。
A.升高溶液温度
B.加入少量异丙胺[(CH3)2CHNH2]
C.加入少量固体硼酸[B(OH)3]
D.增大体系压强
(3)为加速NaBH4水解,某研究小组开发了一种水溶性催化剂,当该催化剂足量、浓度一定且活性不变时,测得反应开始时生氢速率v与投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]之间的关系,结果如图所示。请解释ab段变化的原因:随着投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]增大,NaBH4的水解转化率降低。
(4)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[或NaBO2(s)+2H2O(l)+4Mg(s)===NaBH4(s)+4MgO(s)　ΔG=-1 000 kJ/mol]。(要求:反应物不超过三种物质;氢原子利用率为100%)
12.(16分)(2024·辽宁卷节选)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)　ΔH1=-57.2 kJ·mol-1　ΔS　K。将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
回答下列问题:
(1)ΔS<(填“>”或“<”)0;T3=360 ℃。
(2)下列措施可提高M点HCl转化率的是BD(填字母)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)︰n(O2)
D.使用更高效的催化剂
(3)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是较高流速下,反应未达到平衡,T3温度低,反应速率慢,且反应物在催化剂表面接触时间短,相同时间内HCl的转化率低。
(4)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K=6(用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
解析:(1)2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)反应前后的气体分子数目在减小,所以该反应ΔS<0,该反应为放热反应,由于在流速较低时的转化率视为平衡转化率,所以在流速低的时候,温度越高,HCl的转化率越小,故T1代表的温度为440 ℃,T3为360 ℃。(2)增大HCl的流速,由图像可知,HCl的转化率在减小,A不符合题意;M点对应温度为360 ℃,由图像可知,升高温度,HCl的转化率增大,B符合题意;由题图1、题图2可知,增大n(HCl)︰n(O2),HCl的转化率减小,C不符合题意;使用高效催化剂,可以增加该温度下的反应速率,使单位时间内HCl的转化率增加,D符合题意。故选BD。(3)图中较高流速时,反应未到达平衡状态,T3温度低,反应速率慢,且较高流速时,反应物在催化剂表面接触时间短,故HCl的转化率低。(4)由图像可知,N点HCl的平衡转化率为80%,设起始n(HCl)=n(O2)=4 mol,可列出三段式:
　　　　　　　2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)
起始量/mol　　　4　　　4　　　　　0　　　0
变化量/mol　 　3.2　　 0.8　　　　 1.6　　　1.6
平衡量/mol　　 0.8　　 3.2　　　　 1.6　　　1.6
则K==6。(共62张PPT)
第八章　化学反应速率
与化学平衡
第43讲　化学反应的方向与调控
目
录
考点二　化学反应的调控
课时作业
考点一　化学反应的方向
真题演练 感悟高考
复习目标
1.知道化学反应是有方向的,知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。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。
一
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__。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________。
S
>
>
自发进行
3.判断化学反应方向的判据
ΔG=ΔH-TΔS
(1)ΔG<0时,反应____自发进行。
(2)ΔG=0时,反应处于______状态。
(3)ΔG>0时,反应______自发进行。
能
平衡
不能
判断正误。
(1)非自发反应,一定条件下也能使其反应发生。(　　)
(2)ΔH<0,ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行。(　　)
(3)一定温度下,反应MgCl2(l) Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0。(　　)
(4)反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0。(　　)
微点助学
√
×
√
√
1.下列不属于自发进行的变化是(　　)
A.红墨水加到清水使整杯水变红
B.冰在室温下融化成水
C.水电解生成氢气和氧气
D.铁器在潮湿的空气中生锈
解析:红墨水浓度大于水,粒子向浓度低的方向扩散,是自发进行的物理变化,A不符合题意;冰的熔点为0 ℃,水常温下是液体,冰在室温下融化成水,是自发进行的物理变化,B不符合题意;水电解生成氢气和氧气,是强制发生的氧化还原反应,不能自发进行,C符合题意;铁在潮湿的空气中生锈是发生了电化学腐蚀,是自发进行的化学变化,D不符合题意。
C
2.(2025·河北秦皇岛模拟)下列有关化学反应方向及其判据的说法中错误的是(　　)
A.1 mol H2O在不同状态时的熵值:S[H2O(l)]B.反应CaCO3(s)===CaO(g)+CO2(g)　ΔH>0能否自发进行与温度有关
C.H2O2分解和HClO分解均是自发过程,故这两个反应的ΔH和ΔS的变化相同
D.常温下,反应4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)能自发进行,则该反应的ΔH<0
C
解析:物质聚集状态不同熵值不同,同一物质的熵值:气体>液体>固体,1 mol H2O在不同状态时的熵值:S[H2O(l)]0,ΔS>0,根据ΔH-TΔS<0判断反应能否自发进行,ΔH-TΔS<0与温度有关,故B正确;反应自发只能说明ΔH-TΔS<0,不能说明ΔH和ΔS的变化相同,故C错误;该反应的ΔS<0,若能自发进行,ΔH-TΔS<0,则ΔH必须小于0,故D正确。
二
考点二 化学反应的调控
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·K-1·mol-1。
可逆
减小
<
<
<
能
2.合成氨工业的条件选择
已知合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系为
v=kc(N2)·c1.5(H2)·c-1(NH3)。
反应 条件 原理分析 实际工业
生产条件
提高反应速率 提高平衡转化率
压强 _____ _____ 10 MPa~30 MPa
温度 _____ _____ 400~500 ℃
催化剂 _____ _______ _______作催化剂
浓度 增大氮气、氢气的浓度,减小____的浓度 ____反应物的浓度,降低生成物的浓度 N2、H2投料比为1︰2.8。氨及时从混合气中分离出去,剩余气体_________
高压
高压
高温
低温
使用
无影响
铁触媒
氨气
增大
循环使用
(1)合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑什么因素
考虑速率因素,500 ℃时催化剂的催化活性最好,反应速率最快。
(2)合成氨时一般采用的压强为10 MPa~30 MPa的原因是什么
合成氨时增大压强尽管可以同时提高反应速率和反应物的转化率。但是,压强越大,对材料的强度和设备的要求也越高,增加生产投资并可能降低综合经济效益。
微点助学
1.德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法,从而大大满足了当时的生产需求。如图是合成氨生产流程示意图,下列说法不正确的是(　　)
A.“干燥净化”可以防止催化
剂中毒
B.“压缩机加压”既提高了原
料的转化率又加快了反应速率
C.“冷却”提高了原料的平衡
转化率和利用率
D.“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热
D
解析:合成氨反应的原料中含有能使催化剂中毒的杂质,所以“干燥净化”可以防止催化剂中毒,故A正确;合成氨反应是气体体积减小的反应,增大压强,化学反应速率加快,平衡向正反应方向移动,原料的转化率增大,所以“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率,故B正确;氨气易液化,冷却时氨气转化为液氨,生成物的浓度减小,平衡向正反应方向移动,原料的转化率增大,所以“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率,故C正确;合成氨反应为放热反应,“铁触媒”在生产过程中可以通过反应放出的热量和热交换达到反应所需的温度,不需使用外加热源持续加热,故D错误。
2.据报道,在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实:
2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g),下列叙述错误的是(　　)
A.使用Cu-Zn-Fe催化剂可大大提高生产效率
B.反应需在300 ℃进行可推测该反应是吸热反应
C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率
D.从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率
B
解析:使用Cu-Zn-Fe催化剂可加快反应速率,能大大提高生产效率,A项正确;反应加热与反应放热还是吸热没有直接的关系,如煤的燃烧放热,但需要加热,B项错误;充入大量CO2气体平衡会正向移动,所以可提高H2的转化率,C项正确;从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O会使平衡正向移动,所以可提高CO2和H2的利用率,D项正确。
3.工业合成甲醇的反应为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。反应相同时间,实验测得甲醇的产率与压强,温度的关系分别如图1、图2所示。下列叙述正确的是(　　)
A.合成甲醇时压强越大越好
B.增大压强,正反应速率增大,
逆反应速率减小
C.合成甲醇的最佳温度为520 K
D.520 K之前升高温度单位时间
内甲醇的产率减小
C
解析:虽然增大压强能加快反应速率、使平衡正向移动而提高甲醇的产率,但压强越大,对材料的强度和设备的制造要求也越高,需要的动力也越大,这将会大大增加生产投资,并可能降低综合经济效益,故合成甲醇时不是压强越大越好,A项错误;增大压强,正、逆反应速率都增大,B项错误;根据题图2可知,520 K时甲醇的产率最大,合成甲醇的最佳温度为520 K,C项正确;由题图2可知,反应相同时间,520 K之前反应未达到平衡状态,升高温度,反应速率加快,单位时间内甲醇的产率增大,D项错误。
三
真题演练 感悟高考
1.(2025·广东卷节选)298 K下,反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)===TiCl4(g)+
2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0,则298 K下该反应____(填“能”或“不能”)自发进行。
解析:反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)===TiCl4(g)+2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0,则根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应可自发进行可知,该反应在298 K下能自发进行。
能
2.(2025·浙江1月选考节选)工业中常用如下反应生产HCON(CH3)2:
(CH3)2NH(g)+CO(g)===HCON(CH3)2(l)。某条件下反应自发且熵减,则反应在该条件下ΔH____(填“>”“<”或“=”)0。
解析:(CH3)2NH(g)+CO(g) ===HCON(CH3)2(l)是一个某条件下自发且熵减的反应,根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发可知,则在该条件下反应的ΔH<0。
<
3.(2025·湖南卷节选)在反应器中,发生反应:
C4H8(g)+H2(g) C4H10(g)的ΔH=-126 kJ·mol-1,该反应____(填字母)。
A.高温自发 B.低温自发
C.高温低温均自发 D.高温低温均不自发
解析:该反应是熵减的放热反应,则依据ΔG=ΔH-TΔS<0反应能自发进行,则低温下自发进行,故选B。
B
4.(2024·上海卷节选)若反应Al2Br6(l) 2Al(g)+6Br(g)　ΔH自发进行,由图可知,该反应的____(填字母)。
A.ΔH>0,ΔS>0
B.ΔH<0,ΔS>0
C.ΔH>0,ΔS<0
D.ΔH<0,ΔS<0
解析:由ΔG=ΔH-TΔS可得ΔG=-ΔST+ΔH,根据图像可知,该直线的斜率小于0,纵截距大于0,即-ΔS<0,ΔH>0,故结果为ΔS>0,ΔH>0,选项A正确。
A
5.(2024·浙江6月选考)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g) 4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据如表,下列说法不正确的是(　　)
温度/℃ 400 500 600
乙烷转化率/% 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性/% 92.6 80.0 61.8
D
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能:Ⅰ<Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
解析:由题表可知,相同温度下,乙烷在发生转化时,反应Ⅰ更易发生,则反应活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正确;由题表可知,500 ℃时,乙烷的转化率为9.0%,可得转化的乙烷的总物质的量为2 mol×9.0%=0.18 mol,而此温度下乙烯的选择性为80%,则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80%=0.144 mol,根据化学方程式可得,生成乙烯的物质的量为0.144 mol,则0~5 min反应Ⅰ的平均速率为v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正确;其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),反应Ⅰ正向进行,可提高乙烯的产率,C正确;其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2转化率提高,C2H6转化率降低,D错误。
四
课时作业43
1.(3分)(2025·甘肃兰州模拟)Deacon催化氧化法将HCl转化为Cl2的反应为4HCl(g)+O2(g) 2Cl2(g)+2H2O(g)　ΔH<0。下列关于Deacon催化氧化法制Cl2的说法错误的是(　　)
A.该反应的ΔS<0
B.该反应的平衡常数K=
C.使用合适的催化剂可提高化学反应速率,但不影响HCl的平衡转化率
D.该反应在高温下可自发进行
D
2.(3分)某工业生产中发生反应:2A(g)+B(g) 2M(g)　ΔH<0。下列有关该工业生产的说法正确的是(　　)
A.工业上合成M时,一定采用高压条件,因为高压有利于M的生成
B.若物质B价廉易得,工业上一般采用加入过量的B以提高A和B的转化率
C.工业上一般采用较高温度合成M,因温度越高,反应物的转化率越高
D.工业生产中常采用催化剂,因为生产中使用催化剂可提高M的日产量
解析:工业上合成M可能采用常压如硫酸工业中SO3的生成,A错误;加入过量B只能提高A的转化率,B的转化率降低,B错误;温度升高,平衡逆向移动,反应物的转化率降低,C错误;使用催化剂可降低反应的活化能,提高反应速率,D正确。
D
3.(3分)下表中内容与结论相对应的是(　　)
选项 内容 结论
A H2O(g)变成H2O(l) ΔS>0
B 硝酸铵溶于水可自发进行 该过程的ΔS>0
C 一个反应的ΔH>0,ΔS>0 该反应一定不能自发进行
D H2(g)+F2(g) 2HF(g)的ΔH=-546.6 kJ·mol-1,ΔS=+173.8 J·mol-1·K-1 该反应在任意温度下都不能自发进行
B
解析:物质由气态变为液态,混乱度减小,即ΔS<0,A项不符合题意;硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程,ΔS>0,该过程可自发进行,B项符合题意;ΔH>0,ΔS>0时,根据复合判据可知,高温时ΔH-TΔS<0,即高温条件下,该反应能自发进行,C项不符合题意;由ΔH<0,ΔS>0知,ΔH-TΔS<0,该反应在任意温度下都能自发进行,D项不符合题意。
4.(3分)(2025·山东烟台模拟)焦炭常用于冶炼工业。已知反应①2C(s)+
O2(g)===2CO(g);反应②2CO(g)+O2(g)===2CO2(g),反应①②的反应趋势与温度的关系如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.反应②的ΔS<0,ΔH<0
B.983 K是反应趋势变化的转折点
C.L1对应反应①
D.当温度低于983 K时,过量焦炭的氧化
产物以CO2为主
C
解析:反应②为反应前后气体分子数减小的反应,ΔS<0,燃烧反应属于放热反应,ΔH<0,A正确;ΔG越小,说明反应的趋势越大,983 K时两反应的ΔG相等,所以983 K是反应趋势变化的转折点,B正确;反应①的ΔS>0,ΔG和T成反比,所以斜率小于0,L2对应反应①,C错误;当温度低于983 K时,L1的ΔG更小,所以以反应②为主,产物以CO2为主,D正确。
5.(3分)(2025·河北石家庄模拟)我国科学家研发出一种新型双温催化剂Fe-TiO2-xHy,该催化剂催化N2和H2合成NH3(反应体系温度为495 ℃)的原理如图所示,下列分析错误的是(　　)
A.“热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化
B.“热Fe”有利于N2快速转化为N
C.“冷Ti”低于体系温度,有利于提高合成
氨反应速率
D.该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺
中存在的反应速率和平衡产率的矛盾
C
解析:由图可知,“热Fe”上的变化为N2===N,“冷Ti”上发生的变化为H2===3H,氮原子和氢原子在“冷Ti”上生成氨气,合成氨反应为放热反应,“热Fe”高于体系温度,有利于氮氮共价键的断裂,加快反应速率,“冷Ti”低于体系温度,有利于平衡向正反应方向移动,提高氨气的产率。由分析可知,“热Fe”上的变化属于焓增、熵增的变化,故A正确;由分析可知,“热Fe”能加快反应速率,有利于N2快速转化为N,故B正确;“冷Ti”低于体系温度,不利于提高合成氨反应速率,故C错误;由分析可知,该催化剂能较好地解决传统合成氨工艺中存在的反应速率和平衡产率的矛盾,故D正确。
6.(3分)(2025·湖北武汉模拟)工业上以黄铁矿(主要成分为FeS2)为原料生产硫酸的主要流程如下。
已知:步骤Ⅱ中SO2的平衡转化率随温度和压强的变化情况如表。
温度/℃ 平衡时SO2的转化率/%
0.1 MPa 0.5 MPa 1 MPa 5 MPa 10 MPa
450 97.5 98.9 99.2 99.6 99.7
550 85.6 92.9 94.9 97.7 98.3
下列说法错误的是(　　)
A.步骤Ⅰ中出炉气需净化,能防止步骤Ⅱ中催化剂中毒
B.步骤Ⅱ中通入过量的空气,目的是提高SO2的平衡转化率
C.步骤Ⅱ实际生产中应选择450 ℃和10 MPa
D.步骤Ⅲ中吸收塔内常采用逆流喷淋式,提高SO3的吸收效率
C
解析:步骤Ⅰ中产生的二氧化硫不纯,含有杂质,因此步骤Ⅰ中出炉气需净化,能防止步骤Ⅱ中催化剂中毒,故A正确;步骤Ⅱ中通入过量的空气,目的是提供足够的氧气,使平衡正向移动,该操作可以提高SO2的平衡转化率,故B正确;根据表格数据,450 ℃和10 MPa时SO2的转化率最高,但压强由1 MPa升高到10 MPa,二氧化硫的转化率提升并不明显,因此实际生产中需要考虑成本和设备承受能力,通常选择450 ℃和1 MPa,故C错误;步骤Ⅲ中吸收塔内常采用逆流喷淋式,逆流喷淋可以增加气液接触面积,提高SO3的吸收效率,故D正确。
7.(3分)假定X2与Y2都是理想气体(气体本身不占体积,不考虑气体间相互作用,不考虑碰撞能量损失),在如图所示的过程中,下列说法正确的是(　　)
A.若X2、Y2均为O2,则ΔS>0,混合过程自发进行
B.若X2、Y2均为O2,则ΔS<0,混合过程不自发
C.若X2、Y2分别为N2与O2,则ΔS>0,混合过程自发进行
D.若X2、Y2分别为N2与O2,则ΔS<0,混合过程不自发
C
解析:若X2、Y2均为O2,混合前后气体浓度、分压、温度均相同,则ΔS=0,混合过程自发进行,A、B错误;若X2、Y2分别为N2与O2,混合前后气体温度均相同,但浓度、分压均减小,则ΔS>0,混合过程自发进行,C正确,D错误。
8.(3分)某温度下发生反应:3H2(g)+N2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ/mol,N2的转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图所示,下列说法中正确的是(　　)
A.将1 mol N2、3 mol H2置于1 L密闭容器中发生反应,
放出的热量为92.4 kJ
B.平衡状态由A变到B时,平衡常数KAC.上述反应在达到平衡后,增大压强,H2的转化率增大
D.合成氨工业中常采用400~500 ℃的高温以提高原料的转化率
C
解析:因为是可逆反应,所以不可能生成2 mol氨气,因此放出的热量小于92.4 kJ,A错误;平衡常数只与温度有关系,所以平衡状态由A变到B时,平衡常数不变,B错误;根据图像可知,增大压强,平衡向正反应方向移动,氢气转化率提高,C正确;升高温度,平衡向逆反应方向移动,合成氨工业中常采用400~500 ℃的高温,是因为催化剂在该温度下催化效率高,D错误。
9.(3分)相同的温度和压强下,下列有关两个反应的说法不正确的是(　　)
反应 ΔH/(kJ·mol-1) Δn ΔS/(J·K-1·mol-1)
MgCO3(s) MgO(s)+CO2(g) 117.6 1 a
CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) 177.9 1 b
注:①其中Δn表示反应方程式中气体化学计量数之差;②ΔH-TΔS<0的反应方向自发。
A.因为Δn相同,所以a与b大小相近
B.热分解温度:MgCO3(s)>CaCO3(s)
C.a-b=S[MgO(s)]+S[CaCO3(s)]-
S[MgCO3(s)]-S[CaO(s)]
D.两个反应在不同温度下的ΔH和Δn都大于零
B
解析:熵变的大小与气体体积的改变大小有关,由方程式可知,两反应中气体化学计量数之差相同,则反应的熵变a与b大小相近,故A正确;MgCO3和CaCO3都为离子晶体,Mg2+和Ca2+所带电荷相等,由于Mg2+半径小于Ca2+半径,MgO中的离子键强于CaO中的离子键,故Mg2+比Ca2+更易与碳酸根离子中的氧离子结合,使碳酸根离子分解为CO2,则MgCO3的热分解温度小于CaCO3,故B错误;由方程式可知,两反应中气体化学计量数之差相同,则反应的熵变a与b的差值为a-b=S[MgO(s)]+S[CaCO3(s)]-S[MgCO3(s)]-S[CaO(s)],故C正确;由表格数据可知,两个反应都是气体体积增大的吸热反应,则两个反应在不同温度下的ΔH和Δn都大于零,故D正确。
10.(3分)(2025·安徽马鞍山模拟)已知:
反应Ⅰ.COS(g)+H2(g) CO(g)+H2S(g)
反应Ⅱ.COS(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2S(g)
在恒压条件下,按n(COS)︰n(H2)=1︰1投料比进行反应,含碳物质的平衡体积分数随温度的变化如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.反应Ⅱ高温易自发进行
B.加入合适的催化剂可使Q点上移
C.随着温度的升高,COS的转化率减小
D.R点反应Ⅰ的平衡常数K为1
D
解析:反应中CH3OH的平衡体积分数随着温度升高而减小,说明反应Ⅱ:COS(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2S(g),正反应为放热反应,ΔH<0,ΔS<
0,反应在低温下易自发进行,故A错误;催化剂可加快反应速率,但不能使平衡发生移动,也不能使Q点上移,故B错误;反应中CO的平衡体积分数随着温度升高而升高,说明升高温度,反应Ⅰ正向进行,反应中CH3OH的平衡体积分数随着温度升高而减小,说明升高温度,反应Ⅱ逆向进行,COS的转化率变化取决于两个反应谁占主导,由题图可知,随温度升高,COS的平衡体积分数一直减小,说明反应Ⅰ占主导,故随着温度的升高,COS的转化率增大,故C错误;从图中可知R点COS、CO平衡体积分数均为25%,n(CH3OH)=0 mol,恒压条件下,按n(COS)︰n(H2)=1︰1投料比进行反应,设n(COS)=n(H2)=1 mol,生成CO的物质的量为a mol,
　　　　　　　COS(g)+H2(g) CO(g)+H2S(g)
变化量/mol　　　a　　　a　　　　a　　 a
平衡时n(COS)=(1-a)mol、n(H2)=(1-a)mol、n(CO)=a mol、n(H2S)=a mol,n(总)=2 mol,R点COS、CO平衡体积分数相等均为25%,可知×100%=25%,解得a=,故n(COS)= mol、n(CO)= mol、n(H2S)= mol、n(H2)= mol,反应Ⅰ前后气体分子数不变,可用物质的量来计算平衡常数,平衡常数K==1,故D正确。
11.(14分)(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____(填字母,下同)。
A.高温 B.低温
C.任意温度 D.无法判断
C
(2)该反应比较缓慢。忽略体积变化的影响,下列措施中可加快反应速率的是______。
A.升高溶液温度
B.加入少量异丙胺[(CH3)2CHNH2]
C.加入少量固体硼酸[B(OH)3]
D.增大体系压强
AC
(3)为加速NaBH4水解,某研究小组开发了一种水溶性催化剂,当该催化剂足量、浓度一定且活性不变时,测得反应开始时生氢速率v与投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]之间的关系,结果如图所示。请解释ab段变化的原因:
_______________________________________________________。
随着投料比[n(NaBH4)/n(H2O)]增大,NaBH4的水解转化率降低
(4)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:______________________________________________________________________________________________________________________________________。(要求:反应物不超过三种物质;氢原子利用率为100%)
NaBO2(s)+2H2(g)+2Mg(s)===NaBH4(s)+2MgO(s)ΔG=-340 kJ/mol
[或NaBO2(s)+2H2O(l)+4Mg(s)===NaBH4(s)+4MgO(s)　ΔG=-1 000 kJ/mol]
12.(16分)(2024·辽宁卷节选)为实现氯资源循环利用,工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气:
2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)　ΔH1=-57.2 kJ·mol-1　ΔS　K。将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中,在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应,通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线,如图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。
回答下列问题:
(1)ΔS___(填“>”或“<”)0;T3=_____℃。
解析:2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)反应前后的气体分子数目在减小,所以该反应ΔS<0,该反应为放热反应,由于在流速较低时的转化率视为平衡转化率,所以在流速低的时候,温度越高,HCl的转化率越小,故T1代表的温度为440 ℃,T3为360 ℃。
<
360
(2)下列措施可提高M点HCl转化率的是_____(填字母)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)︰n(O2)
D.使用更高效的催化剂
解析:增大HCl的流速,由图像可知,HCl的转化率在减小,A不符合题意;M点对应温度为360 ℃,由图像可知,升高温度,HCl的转化率增大,B符合题意;由题图1、题图2可知,增大n(HCl)︰n(O2),HCl的转化率减小,C不符合题意;使用高效催化剂,可以增加该温度下的反应速率,使单位时间内HCl的转化率增加,D符合题意。故选BD。
BD
(3)图中较高流速时,α(T3)小于α(T2)和α(T1),原因是____________________
____________________________________________________________________________________。
解析:图中较高流速时,反应未到达平衡状态,T3温度低,反应速率慢,且较高流速时,反应物在催化剂表面接触时间短,故HCl的转化率低。
较高流速下,反应未达
到平衡,T3温度低,反应速率慢,且反应物在催化剂表面接触时间短,相同时
间内HCl的转化率低
(4)设N点的转化率为平衡转化率,则该温度下反应的平衡常数K=______(用平衡物质的量分数代替平衡浓度计算)。
解析:由图像可知,N点HCl的平衡转化率为80%,设起始n(HCl)=n(O2)=4 mol,可列出三段式:
　　　　　　　2HCl(g)+O2(g) Cl2(g)+H2O(g)
起始量/mol　　　4　　　4　　　　 0　　 0
变化量/mol　 　3.2　　 0.8　　　 1.6　　1.6
平衡量/mol　　 0.8　　 3.2　　　 1.6　　1.6
则K==6。
6
Thank you
本课结束

展开更多......

收起↑