新高考化学一轮复习精品学案 第8章 第49讲　化学反应的方向与调控（含解析）

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考点一 化学反应的方向
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。
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
ΔG<0时，反应能自发进行；
ΔG＝0时，反应处于平衡状态；
ΔG>0时，反应不能自发进行。
1．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( )
2．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为判断反应能否自发进行的判据( )
3．过程自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程发生的速率( )
答案 1.× 2.× 3.×
1．下列说法正确的是( )
A．非自发反应一定不能实现
B．同种物质气态时熵值最小，固态时熵值最大
C．反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0
D．恒温恒压下，ΔH<0且ΔS>0的反应一定不能自发进行
答案 C
解析 反应是否自发进行，由熵变、焓变、温度共同决定，非自发反应在改变条件时可以发生，选项A错误；熵是指体系的混乱度，同种物质熵值：气态>液态>固态，选项B错误；反应能自发进行说明：ΔH－TΔS＜0，由化学方程式NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)可知该反应的ΔS＜0，要使ΔH－TΔS＜0，必须满足ΔH＜0，选项C正确；恒温恒压下，ΔH＜0且ΔS＞0的反应的ΔH－TΔS＜0，反应一定可以自发进行，选项D错误。
2．(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：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(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________0(填“＞”“＜”或“＝”)。理由是___________
________________________________________________________________________。
(3)已知CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g) ΔH＝＋218 kJ·ml－1，该反应能够自发进行的反应条件是________。
答案 (1)不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，反应不可能自发进行 (2)＜ 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)高温
考点二 化学反应的调控——工业合成氨
1．化工生产适宜条件选择的一般原则
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．工业合成氨反应的适宜条件
(1)理论分析
增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量对反应条件的要求不尽相同：
(2)实际工业合成氨反应的适宜条件
①压强eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(低压1×107 Pa,中压2×107～3×107 Pa,高压8.5×107～1×108 Pa))
②温度：700 K左右。
③催化剂：以铁为主体的多成分催化剂。
④浓度：N2与H2的投料比(物质的量之比)为1∶2.8。
一、工业合成氨条件的分析
1．下图是工业合成氨的工艺，根据流程解答下列问题：
(1)工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其热化学方程式如下：
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，结合反应的化学方程式分析哪些措施可以提高合成氨的反应速率？哪些措施可以提高氮气或氢气的转化率？
提示 升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂等，都可以使合成氨的反应速率增大；降低温度、增大压强、增大反应物浓度或减小生成物浓度等有利于提高氮气或氢气的转化率。
(2)工业合成氨中，使用铁触媒作催化剂。
①铁触媒加快化学反应速率的原因是什么？
提示 使用铁触媒作催化剂改变了反应历程，降低了反应的活化能，提高了活化分子的百分数，有效碰撞次数增加，反应速率加快。
②铁触媒能提高氢气的平衡转化率吗？ 简述理由。
提示 不能。因为催化剂对化学平衡无影响。
③铁触媒能提高反应混合物中氨的体积分数吗？
提示 能。因为实际合成氨过程为非平衡状态下进行，反应速率大，单位时间里生产的氨气的量多。
(3)合成氨时选择500 ℃而不采用常温主要考虑什么因素？
提示 考虑速率因素，500 ℃时催化剂的催化活性最好。
(4)合成氨时一般采用的压强为10～30 MPa的原因是什么？
提示 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，增加生产投资将降低综合经济效益。故一般采用的压强为10～30 MPa。
(5)合成氨工业中，为提高反应物的转化率，还采取哪些措施？
提示 使氨气冷却成液氨并及时分离，分离后的原料气循环使用。
二、其他工业生产条件的分析
2．工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4H10(g)C4H8(g)＋H2(g)(正反应吸热)，将丁烷和氢气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化率、产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是( )
A．由图甲可知，x小于0.1
B．由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着eq \f(n氢气,n丁烷)增大，逆反应速率减小
C．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移动
D．由图丙可知，丁烯产率在590 ℃之后快速降低的主要原因是丁烯高温分解生成副产物
答案 B
解析 增大压强，平衡逆向移动，则丁烯的平衡转化率减小，结合图像可知，x小于0.1，A项正确；加入氢气，平衡逆向移动，丁烯产率上升的可能原因是通入的H2对催化剂有活化作用，减小的原因是氢气是产物之一，而随着eq \f(n氢气,n丁烷)增大，逆反应速率增大，B项错误。
3．乙烯是石油化工最基本的原料之一。
(1)乙烷在一定条件下可脱氢制得乙烯：C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＞0。提高乙烷平衡转化率的措施有________、________。
(2)在乙烷中引入O2可以降低反应温度，减少积碳。涉及如下反应：
a．2C2H6(g)＋ O2(g)2C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH2＜0
b．2C2H6(g)＋5O2(g)4CO(g)＋6H2O(g) ΔH3＜0
c．C2H4(g)＋2O2(g)2CO(g)＋2H2O(g) ΔH4＜0
氧气的引入可能导致过度氧化。为减少过度氧化，需要寻找催化剂降低反应________(填“a”“b”或“c”)的活化能，判断的依据是_______________________________。
(3)常压下，在某催化剂作用下按照n(C2H6)∶n(O2)＝1∶1投料制备乙烯，体系中C2H4和CO在含碳产物中的物质的量百分数及C2H6转化率随温度的变化如图所示。
①乙烯的物质的量百分数随温度升高而降低的原因是_________________________________。
②在570～600 ℃温度范围内，下列说法正确的是________(填字母)。
A．C2H4产率随温度升高而增大
B．H2O的含量随温度升高而增大
C．C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而增大
D．此催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率
答案 (1)减小压强 升高温度(或及时移出生成物)
(2)a 制备的目标产品是C2H4，b、c均为副反应，应加快反应a的反应速率
(3)①反应a、c是放热反应，升高温度，a反应平衡逆向移动程度较大 ②BD
解析 (1)C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＞0，该反应是气体体积增大的吸热反应，提高乙烷平衡转化率的措施有减小压强、升高温度或及时移出生成物。 (3)①分析反应a、c都为放热反应，升高温度，两者反应平衡均逆向移动，但反应a平衡逆向移动的程度较大，则乙烯的物质的量百分数降低。 ②根据图中信息，C2H4产率随温度升高而降低，故A错误；乙烷转化率增大，生成水的量增大，而乙烯量减小，说明发生反应c，水的量增大，因此H2O的含量随温度升高而增大，故B正确；根据图中信息C2H6转化率增大，则C2H6在体系中的物质的量百分数随温度升高而降低，故C错误；根据图中信息，CO在较高温度时含量较大，因此该催化剂的优点是在较低温度下降低CO的平衡产率，故D正确。
1．(2021·江苏，8)N2是合成氨工业的重要原料，NH3不仅可制造化肥，还能通过催化氧化生产HNO3；HNO3能溶解Cu、Ag等金属，也能与许多有机化合物发生反应；在高温或放电条件下，N2与O2反应生成NO，NO进一步氧化生成NO2。2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g) ΔH＝－116.4 kJ·ml－1。大气中过量的NOx和水体中过量的NHeq \\al(＋,4)、NOeq \\al(－,3)均是污染物。通过催化还原的方法，可将烟气和机动车尾气中的NO转化为N2，也可将水体中的NOeq \\al(－,3)转化为N2。对于反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)，下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH<0，ΔS<0
B．反应的平衡常数可表示为K＝eq \f(c2NO·cO2,c2NO2)
C．使用高效催化剂能降低反应的焓变
D．其他条件相同，增大eq \f(nO2,nNO)，NO的转化率下降
答案 A
解析 2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g) ΔH＝－116.4 kJ·ml－1，反应气体物质的量减少，ΔS<0，故A正确；反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的平衡常数可表示为K＝eq \f(c2NO2,c2NO·cO2)，故B错误；使用高效催化剂，反应的焓变不变，故C错误；其他条件相同，增大eq \f(nO2,nNO)，NO的转化率增大，故D错误。
2．[2022·辽宁，18(1)(2)(4)(5)]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，其反应为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1 ΔS＝－200 J·K－1·ml－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)__________温(填“高”或“低”，下同)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。
(4)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
(5)某合成氨速率方程为：v＝kcα(N2)·cβ(H2)·cγ(NH3)，根据表中数据，γ＝__________；
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
答案 (1)能 (2)高 低 (4)a (5)－1 a
解析 (1)对于合成氨反应，常温下，ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.4 kJ·ml－1－298 K×(－0.2 kJ·K－1·
ml－1)＝－32.8 kJ·ml－1<0，故合成氨反应在常温下能自发。(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。(4)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。(5)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。
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1．相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较合理的是( )
A．1 ml CH4(g)<1 ml H2(g)
B．1 ml H2O(g)<2 ml H2O(g)
C．1 ml H2O(s)>1 ml H2O(l)
D．1 ml C(金刚石，s)>1 ml C(石墨，s)
答案 B
解析 CH4(g)和H2(g)物质的量相同，且均为气态，CH4(g)含有的原子总数多，CH4(g)的摩尔质量大，所以熵值1 ml CH4(g)>1 ml H2(g)，A错误；相同状态的相同物质，物质的量越大，熵值越大，所以熵值1 ml H2O(g)<2 ml H2O(g)，B正确；等量的同种物质，熵值关系为S(g)>S(l)>S(s)，所以熵值1 ml H2O(s)<1 ml H2O(l)，C错误；从金刚石和石墨的结构组成上来看，金刚石的微观结构更有序，熵值更低，所以熵值1 ml C(金刚石，s)<1 ml C(石墨，s)，D错误。
2．下列对化学反应的预测正确的是( )
答案 C
解析 A(s)===B(g)＋C(s)为气体系数增大的反应，ΔS＞0，ΔH＞0，在高温条件下能自发进行，故A错误；A(g)＋2B(g)===2C(g)＋3D(g)为气体系数增大的反应，ΔS＞0，所以当ΔH＜0时，一定满足ΔH－TΔS＜0，反应一定能够自发进行，当ΔH＞0时，高温下，ΔH－TΔS＜0成立，也可以自发进行，故B错误；M(s)＋N(g)===2Q(s)为气体系数减小的反应，ΔS＜0，当ΔH＞0时，ΔH－TΔS＞0，一定不能自发进行，故D错误。
3．恒容绝热的密闭容器中充入反应物，在一定条件下分别发生四个不同的反应，平衡常数与压强随反应进行变化情况合理，且在高温下能自发进行的是( )
答案 A
解析 若为吸热反应，ΔH>0，随着反应进行，温度降低，K减小；p增大，说明气体物质的量增多，ΔS>0，因此高温下能自发进行，p减小，反应不能自发进行。若为放热反应，ΔH<0，随着反应进行，温度升高，K减小；p增大，任何条件都能自发进行，p减小，低温下能自发进行。
4．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
答案 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。
5．将一定量纯净的氨基甲酸铵置于特制的密闭真空容器中(假设容器体积不变，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( )
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体积，氨基甲酸铵固体的质量增加
D．根据表中数据，计算15.0 ℃时的NH3平衡浓度为1.6 ml·L－1
答案 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；压缩容器体积，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2.4×10－3ml·L－1，所以氨的浓度为1.6×10－3ml·L－1，D项错误。
6．(2022·郑州模拟)硅是大数据时代的关键材料。工业上常在1 800～2 000 ℃时，用碳单质还原的方法制取单质硅。涉及反应的相关数据如表所示。下列说法正确的是( )
A.反应(1)可证明Si的还原性大于C
B．生活中利用单晶硅良好的导光性能作光导纤维
C．工业生产条件下反应(2)无法自发进行
D．C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝－172.42 kJ·ml－1
答案 C
解析 反应(1)：SiO2(s)＋2C(s)===Si(s)＋2CO(g)，C元素化合价升高，C作还原剂，Si是还原产物，由还原剂的还原性比还原产物的强，则C的还原性大于Si，A错误；单晶硅是良好的半导体材料，SiO2具有导光性能，可作光导纤维，B错误；反应若要自发进行，即ΔG＝ΔH－TΔS<0，对反应(2)：ΔG＝(＋514.85－T×183.35×10－3)kJ·ml－1<0，T>2 808 K，则反应(2)在工业1 800～2 000 ℃生产条件下无法自发进行，C正确；由盖斯定律，反应(1)－反应(2)得到C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝＋172.42 kJ·ml－1，D错误。
7．(2022·湖南永州模拟)α-萘磺酸()和β-萘磺酸()是重要的化工原料，合成时往往得到两者的混合物，工业上相关的合成反应如图。下列有关说法错误的是( )
反应①：＋H2SO4＋H2O ΔH1<0 K1
反应②：＋H2SO4＋H2O ΔH2<0 K2
A．若主要产物是α-萘磺酸，说明反应①的活化能比②的小
B．平衡时α-萘磺酸和β-萘磺酸的物质的量浓度关系为eq \f(cα­萘磺酸,cβ­萘磺酸)＝eq \f(K2,K1)
C．在密闭容器中加入萘与硫酸，t min后反应达到平衡，用萘磺酸表示的反应速率为eq \f(cα­萘磺酸＋cβ­萘磺酸,t)
D．α-萘磺酸与β-萘磺酸能相互转化
答案 B
解析 主要产物是α-萘磺酸，说明反应①比较容易实现，活化能低，故反应①的活化能比②的小，A正确；平衡常数K＝eq \f(生成物浓度幂次方乘积,反应物浓度幂次方乘积)，反应①和②反应物相同，平衡时α-萘磺酸和β-萘磺酸的物质的量浓度关系为eq \f(cα­萘磺酸,cβ­萘磺酸)＝eq \f(K1,K2)，B错误；t min后反应达到平衡，萘的浓度变化等于生成α-萘磺酸和β-萘磺酸浓度之和，故用萘磺酸表示的反应速率为eq \f(cα­萘磺酸＋cβ­萘磺酸,t)，C正确；由反应①－②或②－①可知两者可以相互转化，D正确。
8．已知在100 kPa、298.15 K时，石灰石发生分解反应：
CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ΔH＝＋178.3 kJ·ml－1 ΔS＝160.4 J·ml－1·K－1，则
(1)该反应____(填“能”或“不能”)正向自发进行。
(2)若温度能决定反应方向，则该反应正向自发进行的最低温度为________。
答案 (1)不能 (2)1 111.6 K
解析 (1)ΔG＝ΔH－TΔS＝＋178.3 kJ·ml－1－298.15 K×160.4×10－3 kJ·ml－1·K－1≈130.5 kJ·ml－1＞0，所以该反应不能正向自发进行。
(2)根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，反应可正向自发进行，则有T＞eq \f(ΔH,ΔS)≈1 111.6 K。
9．N2和H2生成NH3的反应为eq \f(1,2)N2(g)＋eq \f(3,2)H2(g)NH3(g) ΔH(298 K)＝－46.2 kJ·ml－1
请回答：
(1)有利于提高合成氨平衡产率的条件有______(填字母)。
A．低温 B．高温 C．低压 D．高压
E．催化剂
(2) SKIPIF 1 < 0 为各组分的平衡分压，如 SKIPIF 1 < 0 ，p为平衡总压， SKIPIF 1 < 0 为平衡系统中氨气的物质的量分数，N2、H2起始物质的量之比是1∶3，反应在恒定温度和总压强p(单位是Pa)下进行，NH3的平衡产率是w，用分压代替物质的量浓度计算平衡常数Kp＝________。
答案 (1)AD (2)eq \f(4w2－w,3\r(3)p1－w2)
解析 (2)由题意知，设起始n(N2)＝eq \f(1,2) ml，n(H2)＝eq \f(3,2) ml，列三段式：
eq \f(1,2)N2(g) ＋ eq \f(3,2)H2(g)NH3(g)
起始/ml eq \f(1,2) eq \f(3,2) 0
转化/ml eq \f(w,2) eq \f(3,2)w w
平衡/ml eq \f(1,2)－eq \f(w,2) eq \f(3,2)－eq \f(3,2)w w
Kp＝ SKIPIF 1 < 0 ＝eq \f(4w2－w,3\r(3)p1－w2)。
10．(2022·重庆模拟)尿素[CO(NH2)2]是首个由无机物人工合成的有机物。
(1)已知：①2NH3(g)＋CO2(g)===NH2CO2NH4(s) ΔH＝－159.5 kJ·ml－1
②NH2CO2NH4(s)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g) ΔH＝＋116.5 kJ·ml－1
则氨气与二氧化碳气体合成固态尿素和气态水的热化学方程式为________________
________________________________________________________________________。
(2)一定条件下，向容积恒定为2 L的密闭容器中加入0.10 ml CO2和0.40 ml NH3，发生反应：2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)，60 min开始达到平衡。反应中CO2的物质的量随时间变化如下表所示：
①60 min内，上述反应的平均反应速率v(CO2)＝________。
②NH3的平衡转化率为__________。
(3)一定条件下，恒容容器中，若原料气中的NH3和CO2的物质的量之比eq \f(nNH3,nCO2)＝x，发生反应：2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)，x与CO2的平衡转化率(α)的关系如图所示：
①α随着x增大而增大的原因是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
②A点平衡时容器内总压强为p0 kPa，则上述反应的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
答案 (1)2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g) ΔH＝－43.0 kJ·ml－1
(2)①5.00×10－4ml·L－1·min－1 ②30%
(3)①如果c(CO2)不变，x增大，则c(NH3)增大，平衡正向移动，CO2平衡转化率增大
②eq \f(2.25,p\\al(2,0)) kPa－2[或eq \f(9,4p\\al(2,0)) kPa－2]
解析 (1)根据盖斯定律，将①＋②得到氨气与二氧化碳气体反应合成固态尿素和气态水的热化学方程式为2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g) ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝－43.0 kJ·ml－1。
(2)①根据表中数据可知，60 min内，上述反应的平均反应速率v(CO2)＝eq \f(\f(0.10－0.04ml,2 L),60 min)＝5.00×10－4ml·L－1·min－1。②平衡时CO2的物质的量减少0.10 ml－0.04 ml＝0.06 ml，根据反应2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)可知NH3应该减少0.12 ml，故NH3的平衡转化率为eq \f(0.12 ml,0.40 ml)×100%＝30%。
(3)②A点平衡时容器内总压强为p0 kPa，eq \f(nNH3,nCO2)＝x＝3.0，α＝0.50，设NH3和CO2的物质的量分别为3 ml和1 ml，根据三段式有：
2NH3(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(NH2)2(l)
初始/ml 3 1 0
转化/ml 1 0.5 0.5
平衡/ml 2 0.5 0.5
则上述反应的平衡常数Kp＝eq \f(\f(0.5,3)×p0 kPa,\f(0.5,3)×p0 kPa×\f(2,3)×p0 kPa2)＝eq \f(9,4p\\al(2,0)) kPa－2。
11．(2022·广西柳州模拟)工业合成氨反应具有非常重要的意义。
(1)已知：H2(g)＋eq \f(1,2)O2(g)H2O(l) ΔH＝－286.0 kJ·ml－1
4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(l) ΔH＝－1 530.0 kJ·ml－1
则合成氨反应的热化学方程式为____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)在某容积为2 L的恒容容器中发生合成氨反应，体系中各物质浓度随时间变化的曲线如图所示：
前20 min内v(NH3)＝________ml·L－1·min－1，放出的热量为________，25 min时采取的措施是________________________________________________________________________。
(3)对可逆反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，若起始投料n(N2)＝3 ml、n(H2)＝3 ml，达到平衡后，增大压强，N2的体积分数________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)T ℃，以CO2和NH3为原料可合成化肥尿素：
2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(l)；在2 L的密闭容器中，通入1.2 ml NH3和0.6 ml CO2,2 min时反应刚好达到平衡。此时，c(NH3)＝0.2 ml·L－1，c(CO2)＝0.1 ml·L－1。
①该反应的平衡常数是________。
②若2 min时保持T ℃和平衡时容器的压强不变，再向体积可变的容器中充入0.6 ml NH3，则此时平衡____________(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。
答案 (1)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－93.0 kJ·ml－1
(2)0.05 93.0 kJ 移走氨气(或分离出氨气)
(3)不变
(4)①250 ②逆向移动
解析 (1)设从上到下，热化学方程式分别为反应1、反应2，由盖斯定律，eq \f(1,2)×(6×反应1－反应2)可得N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝eq \f(1,2)×[6×(－286.0)－(－1 530.0)]kJ·ml－1＝－93.0 kJ·ml－1。
(2)根据图像可知，20 min时氨气的物质的量浓度为1.00 ml·L－1，所以氨气的平均反应速率为v(NH3)＝eq \f(Δc,Δt)＝eq \f(1.00 ml·L－1,20 min)＝0.05 ml·L－1·min－1；达到平衡时生成的氨气的物质的量为1.00 ml·L－1×2 L＝2.00 ml，根据N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－93.0 kJ·ml－1可知生成2 ml氨气放出的热量为93.0 kJ；由图可知，25 min时氨气的物质的量迅速变为0，而氮气、氢气的物质的量不变，之后氮气、氢气的物质的量逐渐减小，氨气的物质的量逐渐增大，说明25 min时改变的条件是将NH3从反应体系中分离出去。
(3)若起始投料n(N2)∶n(H2)＝1∶1，生成物的系数为2，则相当于等压平衡，达到平衡后，增大压强，平衡不移动，N2的体积分数不变。
(4)①列三段式：
2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(s)＋H2O(l)
起始/ml·L－1 0.6 0.3
转化/ml·L－1 0.4 0.2
平衡/ml·L－1 0.2 0.1
K＝eq \f(1,c2NH3·cCO2)＝eq \f(1,0.22×0.1)＝250。
②若保持T ℃和平衡时容器的压强不变，再向体积可变的容器中充入0.6 ml NH3，体积瞬间变为4 L，此时c(NH3)＝0.25 ml·L－1，c(CO2)＝0.05 ml·L－1，反应的浓度商Q＝eq \f(1,c2NH3·cCO2)＝eq \f(1,0.252×0.05)＝320>K，所以平衡逆向移动。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
对合成氨反应的影响
影响因素
浓度
温度
压强
催化剂
增大合成氨的反应速率
增大反应物浓度
高温
高压
使用
提高平衡混合物中氨的含量
增大反应物浓度、减小生成物浓度
低温
高压
无影响
实验
eq \f(cN2,ml·L－1)
eq \f(cH2,ml·L－1)
eq \f(cNH3,ml·L－1)
eq \f(v,ml·L－1·s－1)
1
m
n
p
q
2
2m
n
p
2q
3
m
n
0.1p
10q
4
m
2n
p
2.828q
选项
化学方程式
已知条件
预测
A
A(s)===B(g)＋C(s)
ΔH>0
它一定是非自发反应
B
A(g)＋2B(g)=== 2C(g)＋3D(g)
能自发反应
ΔH一定小于0
C
M(s)＋aN(g)=== 2Q(g)
ΔH<0，自发反应
a可能等于1、2、3
D
M(s)＋N(g)=== 2Q(s)
常温下，自发进行
ΔH>0
温度/°C
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
平衡气体总浓度/ (×10－3 ml·L－1)
2.4
3.4
4.8
6.8
9.4
反应
ΔH/(kJ·ml－1)
ΔS/(J·K－1·ml－1)
反应(1)：SiO2(s)＋2C(s)===Si(s)＋2CO(g)
＋687.27
359.04
反应(2)：SiO2(s)＋C(s)===Si(s)＋CO2(g)
＋514.85
183.35
时间/min
0
20
60
80
n(CO2)/ml
0.10
0.06
0.04
0.04