高考化学一轮复习第7章化学反应速率和化学平衡第4讲化学反应原理在物质制备中的调控作用教案

这是一份高考化学一轮复习第7章化学反应速率和化学平衡第4讲化学反应原理在物质制备中的调控作用教案，共11页。教案主要包含了化学反应进行的方向，化学反应的调控等内容，欢迎下载使用。

化学反应原理在物质制备中的调控作用是高考命题的热点，要求考生认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用，知道催化剂可以改变反应历程，对调控反应速率具有重要意义；要求考生结合生产实例(如合成氨、汽车尾气处理、塑料的工业合成等)，从限度、快慢、能耗等多角度综合调控化学反应，发展“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。此类试题大多与化工生产实际相联系，要求考生用化学视角审视实际问题，具备正确的化学观念，如物质观、反应观、能量观、平衡观等，体现化学学科的本质价值。
一、化学反应进行的方向
1．自发反应
在一定条件下无需外界帮助就能自发进行的反应称为自发反应。
自发反应是化学反应，如水蒸气冷凝得到液态水属于自发过程，但不是自发反应。
2．熵和熵变
(1)熵的含义
熵是衡量一个体系混乱度的物理量。用符号S表示。
(2)熵变的含义
熵变是反应前后体系熵的变化，用ΔS表示，化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行。
3．判断化学反应进行的方向
对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量数大小。
二、化学反应的调控
1．控制反应条件的目的
(1)促进有利的化学反应：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：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控制副反应的发生，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途径调控反应速率。
(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)应用示例
以工业合成氨为例，理解运用化学反应原理选择化工生产中的适宜条件
①反应原理：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1。
④综合考虑——选择适宜的生产条件
下列说法中正确的是( )
A．(2020·江苏卷)反应SiCl4(g)＋2H2(g) eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备，该反应ΔH>0、ΔS<0
B．(2019·江苏卷)一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔH<0
C．(2018·江苏卷)反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应
D．(2017·江苏卷)反应N2 (g)＋3H2 (g)2NH3 (g)的ΔH< 0，ΔS>0
B [SiCl4(g)与H2(g)反应的正反应是气体分子数增多的反应，则有ΔS>0，A项错误；H2(g)与O2(g)反应的ΔS<0，一定温度下反应能自发进行，则ΔH－TΔS<0，则有ΔH<0，B项正确；反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)的ΔS<0，常温下可自发进行，则有ΔH<0，该反应为放热反应，C项错误；反应N2 (g)＋3H2 (g)⇌2NH3 (g)的ΔS<0，D项错误。]
[训练1] (2021·山东聊城检测)下列各项判断完全正确的是( )
B [液态水转化为气态水是熵增加的过程，A项错误；NO2转化为N2O4为化合反应，该反应是放热的、熵值减小常温下就能发生的可逆反应，属于自发反应，B项正确；该反应是放热反应，C项错误；NH4Cl受热分解反应属于吸热反应，D项错误。]
[训练2] (2020·河南开封期初调研)下列说法正确的是( )
A．2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH>0
B．反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0
C．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0
D．常温下，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH<0
B [该反应自发进行，则ΔH－TΔS<0，即ΔH0、ΔS<0，则ΔH<0，B项正确。]
(1)(2020·全国卷Ⅲ，28题节选)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当________________________________________________________________________。
(2)(2020·山东卷，18题节选)CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5 kJ·ml－1为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。
A．低温、高压 B．高温、低压
C．低温、低压 D．高温、高压
解析 (1)根据外界条件对速率的影响，可知在一定温度和压强下，选择合适的催化剂可提高反应速率，同时使合成乙烯的主反应较多地发生，而副反应被抑制(即反应的选择性)。
(2)该反应为ΔH＜0，气体系数减小的反应，生成甲醇的反应是放热、气体分子数减小的反应，且由图乙可知在较低温度下CO2的平衡转化率较高，应选择低温、高压，故A项正确。
答案 (1)选择合适催化剂等 (2)A
[训练3] (2021·四川新津中学检测)据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇(CH3CH2OH)已成为现实：2CO2(g)＋6H2(g)⇌CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。下列叙述错误的是( )
A．使用Cu­Zn­Fe催化剂可大大提高生产效率
B．升高温度，该反应平衡常数(K)一定增大
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 [因催化剂能提高化学反应速率，加快反应进行，则在一定时间内提高了生产效率，A项正确；反应需在300 ℃进行是为了获得较快的反应速率，不能说明反应是吸热还是放热，则K不一定增大，B项错误；充入大量CO2气体，能使平衡正向移动，提高H2的转化率，C项正确；从平衡混合物中及时分离出产物，使平衡正向移动，可提高CO2和H2的转化率，D项正确。]
[训练4] (2021·湖北武汉联考)化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。
(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：TaS2(s)＋2I2(g)⇌TaI4(g)＋S2(g) ΔH＞0(Ⅰ)。如图所示，反应(Ⅰ)在石英真空管中进行，先在温度为T2的一端放入未提纯的TaS2粉末和少量I2(g)，一段时间后，在温度为T1的一端得到了纯净TaS2晶体，则温度T1________(填“＞”“＜”或“＝”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是________。
(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为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下图所示。该反应ΔH________(填“＞”或“＜”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是__________________________
_______________________________________________________________________________。
解析 (1)由题意知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2===TaI4＋S2，②TaI4＋S2===TaS2＋2I2，即反应(Ⅰ)先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应(Ⅰ)的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，则ΔH＜0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在题给压强下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。
答案 (1)＜ I2
(2)＜ 在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失
训练(三十七) 化学反应原理在物质制备中的调控作用
1．(2021·广西南宁二中检测)汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)，是城市主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，反应原理：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)，在298 K、101 kPa下，ΔH＝－113 kJ/ml、ΔS＝－145 J/(ml·K)。下列说法中错误的是( )
A．该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量
B．该反应常温下不能自发进行，因此需要高温和催化剂
C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是加快反应的速率
D．汽车尾气中的这两种气体会与血红蛋白结合而使人中毒
B [该反应是放热反应，则反应物的总能量高于生成物的总能量，A项正确；在298 K、101 kPa下，ΔH＝－113 kJ/ml、ΔS＝－145 J/(ml·K)，则有ΔH－TΔS＝(－113 kJ/ml)－298 K×[－0.145 kJ/(ml·K)]＝－69.79 kJ/ml<0，该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是加快反应的速率，B项错误，C项正确；NO、CO均会与血红蛋白结合而使人中毒，D项正确。]
2．(2021·安徽六校第一次联考)工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯(HCOOCH3)：CH3OH(g)＋CO(g)⇌HCOOCH3(g)。在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量CH3OH和CO，测得相同时间内CO的转化率随温度变化如图所示。下列说法不正确的是( )
A．增大压强，甲醇转化率增大
B．b点反应速率v正＝v逆
C．平衡常数K(75 ℃)＞K(85 ℃)，反应速率：vb＜vd
D．生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜
B [增大压强，平衡正向移动，甲醇转化率增大，A项正确；b点处于图中最高点左侧，b点CO转化率未到达平衡值，此时反向正向进行，故b点反应速率v正>v逆，B项错误；温度升高，反应速率加快，d点温度高于b点，则反应速率：vb＜vd；CO转化率达到最大值后，升高温度，CO的转化率降低，说明达到平衡后，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则该反应是放热反应，平衡常数K(75 ℃)＞K(85 ℃)，C项正确；图中在80～85 ℃时，CO转化率较大，故生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜，D项正确。]
3．(2021·河北衡水中学调研)335 ℃时，在恒容密闭反应器中1.00 ml C10H18(l)催化脱氢的反应过程如下：
反应1∶C10H18(l)⇌C10H12(l)＋3H2(g) ΔH1
反应2∶C10H12(l)⇌C10H8(l)＋2H2(g) ΔH2
测得C10H12和C10H8的产率x1和x2(以物质的量分数计)随时间的变化关系及反应过程能量变化如下图所示。下列说法错误的是( )
A．催化剂能改变反应历程
B．更换催化剂后，ΔH1、ΔH2也会随之改变
C．8 h时，反应2未处于平衡状态
D．x1显著低于x2，是因为反应2的活化能比反应1的小，反应1生成的C10H12很快转变成C10H8
B [使用催化剂，产生多种中间产物，改变反应历程，A项正确；焓变(ΔH)取决于反应物具有的总能量和生成物具有的总能量，更换催化剂后，反应历程改变，但ΔH1、ΔH2不会随之改变，B项错误；图中8 h后，C10H8的产率x2逐渐增大，故反应2未处于平衡状态，C项正确；由图可知，反应1的活化能大于反应2的活化能，则反应1的速率比反应2的速率慢，反应1生成的C10H12很快转变成C10H8，故x1显著低于x2，D项正确。]
4．(2021·山东肥城检测)氢能作为新型能源，可利用CO制得，北京大学马丁教授等团队向容积为V L的密闭容器中充入等物质的量的CO和H2O进行反应。
已知：
反应Ⅰ：FeO(s)＋CO(g)⇌Fe(s)＋CO2(g) ΔH1
反应Ⅱ：FeO(s)＋H2(g)⇌Fe(s)＋H2O(g) ΔH2
反应Ⅲ：CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g) ΔH
反应Ⅲ在不同催化剂作用下(反应相同时间)，温度与CO转化率的关系如图所示。
(1)反应Ⅲ的ΔH与ΔH1、ΔH2关系式：ΔH＝________。
(2)若反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数分别为K1和K2，则反应Ⅲ的平衡常数K与K1、K2的关系式：K＝________。
(3)随着温度的升高，CO的转化率先升后降，“后降”的可能原因是________________________________。
(4)由图可知，ΔH________0(填“大于”或“小于”)，催化剂应选择________(填“Au/αMC”或“Au/αMC/NaCN”)。
(5)已知T＝1 025 K时，K＝1。则平衡时CO的转化率α(CO)＝________。当T＞1 025K时，平衡时，H2的体积分数ω的取值范围为________。此时，CO还原FeO(s)的能力________H2(填“大于”或“小于”)。
(6)欲提高H2的体积分数，可采取的措施为________________________________。
解析 (1)由反应Ⅰ－Ⅱ可得反应Ⅲ，根据盖斯定律，则反应Ⅲ的ΔH＝ΔH1－ΔH2 。
(2)由于反应Ⅰ－Ⅱ＝Ⅲ，反应I和II的平衡常数分别为K1和K2，则反应Ⅲ的平衡常数为K＝ eq \f(K1,K2) 。
(3)由图可知，催化剂的催化活性随温度先增大后减小，温度过高，催化剂的催化活性下降，会引起CO的转化率降低。
(4)由图可知，随着温度的升高，CO平衡转化率逐渐减小，说明升高温度，平衡逆向移动，则该反应的ΔH<0。由图可知，催化剂Au/α­MC在较低温度时具有较高的催化活性，故催化剂应选择Au/α­MC。
(5)起始时CO和H2O(g)的物质的量相等，假设均为1 ml，由于反应CO(g)＋H2O(g)⇌CO2(g)＋H2(g)前后气体总分子数不变，平衡常数K＝1，则平衡时四种物质的物质的量均为0.5 ml，故CO的平衡转化率为 eq \f(0.5 ml,1 ml) ×100%＝50%。1 025 K时，H2的体积分数为25%；升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡时H2的体积分数减小，但肯定大于0，故H2的体积分数取值范围为0<ω<25%。
(6)欲提高H2的体积分数，可采取的措施有及时分离出CO2，或降低温度等。
答案 (1)ΔH1－ΔH2 (2) eq \f(K1,K2)
(3)温度过高，催化剂的催化活性下降
(4)小于 Au/α­MC
(5)50% 0<ω<25% 小于
(6)及时分离出CO2(或降低温度)
5．(2021·河北石家庄二中检测)苯乙烯是生产各种塑料的重要单体，可通过乙苯催化脱氢制得：
ΔH＝＋123.5 kJ·ml－1。工业上，通常在乙苯(EB)蒸气中掺混N2(原料气中乙苯和N2的物质的量之比为1∶10，N2不参与反应)，控制反应温度为600 ℃，并保持体系总压为0.1 MPa不变的条件下进行反应。在不同反应温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图为
(1)A、B两点对应的正反应速率较大的是________。
(2)掺入N2能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实
________________________________________________________________________。
(3)用平衡分压代替平衡浓度计算600 ℃时的平衡常数Kp＝________。(保留两位有效数字，分压＝总压×物质的量分数)
(4)控制反应温度为600 ℃的理由是____________________________________________
___________________________________________________________________________。
解析 (1)由图可知，A、B两点对应的温度和压强都相同，A点是乙苯和氮气的混合气体，B点是纯乙苯，则B点乙苯浓度大于A点，浓度越大反应速率越大，则正反应速率B点大于A点。(2)该反应正反应气体分子数增加，加入氮气稀释，相当于减压，减小压强，化学平衡正向移动，乙苯的转化率增大。(3)由图可知，反应温度为600 ℃，并保持体系总压为0.1 MPa时，乙苯转化率为40%，设乙苯起始物质的量为1 ml，则依据题意可建立如下三段式：
eq \a\vs4\al(起始量,/ml) 1 0 0
eq \a\vs4\al(变化量,/ml) 0.4 0.4 0.4
eq \a\vs4\al(平衡量,/ml) 0.6 0.4 0.4
平衡时总物质的量为1.4 ml，乙苯的平衡分压为 eq \f(0.6,1.4) ×0.1 MPa，苯乙烯和氢气的平衡分压为 eq \f(0.4,1.4) ×0.1 MPa，则600 ℃时的平衡常数Kp＝ eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(0.4,1.4)×0.1))\s\up12(2),\f(0.6,1.4)×0.1) ≈0.019。
答案 (1)B (2)正反应方向气体分子数增加，加入氮气稀释，相当于减压，平衡正向移动 (3)0.019 (4)600 ℃时，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降。高温还可能使催化剂失活，且能耗大条件
温度
压强
投料比
催化剂
循环操作
具体内容
400～500 ℃
10～30 MPa
eq \f(n（N2）,n（H2）) ＝ eq \f(1,2.8)
铁触媒
采用循环操作提高原料利用率
选项
变化
ΔH
ΔS
方向性
A
H2O(l)―→H2O(g)
>0
<0
非自发
B
2NO2(g)⇌N2O4(g)
<0
<0
自发
C
2Fe3＋(aq)＋Cu(s)===2Fe2＋(aq)＋Cu2＋(aq)
>0
>0
自发
D
NH4Cl(s) eq \(=====,\s\up7(△)) NH3(g)↑＋HCl(g)↑
<0
>0
非自发