2023新教材高考化学一轮第七章化学反应速率与化学平衡第24讲化学平衡常数化学反应的方向课件

第24讲　化学平衡常数　化学反应的方向\n考点一考点二考点三高考真题演练随堂过关训练考点四\n考点一\n必备知识梳理·夯实学科基础1.化学平衡常数及表达式(1)概念：在一定温度下，当一个可逆反应达到__________时，生成物__________与反应物__________的比值是一个常数，用符号____表示。(2)表达式①对于反应mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)的平衡常数K＝___________。②固体或纯液体的浓度视为常数，通常不计入平衡常数表达式a．C(s)＋H2O(g)⇌CO(g)＋H2(g)的平衡常数表达式K＝。b．Fe3＋(aq)＋3H2O(l)⇌Fe(OH)3(s)＋3H＋(aq)的平衡常数表达式K＝。化学平衡浓度幂之积浓度幂之积K\n2．平衡常数的换算化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数，化学反应方向改变或化学计量数改变，化学平衡常数均发生改变。(1)同一反应的正逆平衡常数互为________，即K正＝。(2)反应的化学计量数变为原来的n倍，则平衡常数是原平衡常数的n次方，即K′＝________。倒数Kn\n3．意义及影响因素意义K值越大正反应进行的程度越____反应物的转化率越____内因反应物本身的性质影响因素外因温度升高ΔH<0，K值减小ΔH>0，K值增大特别提醒一般地，当K＞105时，反应基本完全了。大大\n4.主要应用(1)判断可逆反应的反应方向以及反应是否达到平衡(2)判断可逆反应的反应热Q＝K体系处于平衡状态Q<K反应____向进行Q>K反应____向进行升高温度K值增大正反应为____热反应K值减小正反应为____热反应降低温度K值增大正反应为____热反应K值减小正反应为____热反应正逆吸放放吸\n[易错易混辨析](错误的说明错因)(1)平衡常数表达式中，可以是物质的任一浓度()错因：_______________________________________________。(2)增大反应物的浓度，平衡正向移动，化学平衡常数增大()错因：_______________________________________________。＋H2O⇌NH3·H2O＋H＋的平衡常数表达式为K＝()错因：_______________________________________________。(4)对于N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3ΔH＜0反应，降温和加压均右移，平衡常数均增大()错因：_______________________________________________。×平衡常数表达式中，必须是各物质的平衡浓度×平衡常数只与温度有关×固体或纯液体浓度为常数，不出现在平衡常数的表达式中×平衡常数只与温度有关\n(5)升高温度，平衡常数K一定增大()错因：___________________________________________________。(6)平衡常数发生变化，化学平衡不一定发生移动()错因：_______________________________________________。(7)一定温度下，2SO2＋O2⇌2SO3与2SO3⇌O2＋2SO2的平衡常数互为相反数()错因：_______________________________________________。×升温，对于吸热反应，平衡常数增大，对于放热反应，平衡常数减小×平衡常数发生改变，温度一定改变，所以化学平衡一定发生移动×一个可逆反应的正反应K正与逆反应K逆它们互为倒数关系\n[深度思考]一定温度下，分析下列三个反应的平衡常数的关系①N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)K1②N2(g)＋H2(g)⇌NH3(g)K2③2NH3(g)⇌N2(g)＋3H2(g)K3(1)K1和K2，K1＝________。(2)K1和K3，K1＝________。\n题组强化训练·形成关键能力题组一化学平衡常数的含义及其影响1．对于反应C(s)＋H2O(g)⇌CO(g)＋H2(g)ΔH>0，下列有关说法正确的是()A．平衡常数表达式为K＝B．恒温条件下压缩容器的体积，平衡不移动，平衡常数K不发生变化C．升高体系温度，平衡常数K减小D．恒温恒压条件下，通入氦气，平衡正向移动，平衡常数K不发生变化答案：D\n解析：固态物质浓度为“常数”，视为“1”，不需写入平衡常数表达式，A项错误；增大压强，平衡逆向移动，B项错误；升温，该反应正向进行，K增大，C项错误；恒压条件下，通入氦气，平衡向气体体积增大的方向移动，即平衡正向移动，K只与温度有关，温度不变，K不发生变化，D项正确。\n2．反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均会在工业生产硝酸过程中发生，其中反应Ⅰ、Ⅱ发生在氧化炉中，反应Ⅲ发生在氧化塔中，不同温度下各反应的化学平衡常数如表所示。下列说法正确的是()A.使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可增大氧化炉中NO的含量B．通过改变氧化炉的温度可促进反应Ⅰ而抑制反应ⅡC．通过改变氧化炉的压强可促进反应Ⅰ而抑制反应ⅡD．氧化炉出气在进入氧化塔前应进一步提高温度化学平衡常数温度(K)反应Ⅰ：4NH3＋5O2⇌4NO＋6H2O反应Ⅱ：4NH3＋3O2⇌2N2＋6H2O反应Ⅲ：2NO＋O2⇌2NO25001.1×10267.1×10341.3×1027002.1×10192.6×10251.0答案：A\n解析：使用选择性催化反应Ⅰ的催化剂可促进反应Ⅰ的发生，增大氧化炉中NO的含量，故A正确；升高温度，反应Ⅰ和反应Ⅱ的化学平衡常数均减小，则正反应均为放热反应，无法通过改变氧化炉的温度达到促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ的效果，故B错误；反应Ⅰ和反应Ⅱ的正反应均为气体分子数增大的反应，无法通过改变氧化炉的压强达到促进反应Ⅰ而抑制反应Ⅱ的效果，故C错误；反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ正反应均为放热反应，所以氧化炉出气在进入氧化塔前应降低温度，故D错误。\n题组二　化学平衡常数的计算与应用3．已知COS氢解：H2(g)＋COS(g)⇌H2S(g)＋CO(g)ΔH＝＋6.2kJ·mol－1。COS(g)氢解反应的平衡常数K与温度T的关系如右图。(1)能表示COS(g)氢解反应的直线为________(填“x”“y”或“z”)。(2)某温度下向刚性容器中通入mmolCOS(g)和nmolH2(g)发生氢解反应。已知COS(g)的平衡转化率为α，则该温度下氢解反应的平衡常数K＝______________(用m、n、α等符号表示)。z\n解析：(1)由题意COS(g)氢解反应为吸热反应，T减小，增大，氢解反应向逆反应方向进行，则K减小，lgK也减小，所以直线z表示COS(g)氢解反应。(2)设刚性容器体积为1L，由题意列三段式为H2＋COS⇌H2S＋CO起始/(mol·L－1)nm转化/(mol·L－1)mαmαmαmα平衡/(mol·L－1)n－mαm－mαmαmαK＝m2α2/[(n－mα)(m－mα)]＝。\n4．减少汽车尾气污染的原理为2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)ΔH＜0，向恒温恒容密闭容器中充入NO和CO，用传感器测得的数据如下表所示。(1)为了提高尾气处理的效果，可采取的措施有________________________________(写出两种即可)。(2)此条件下达到平衡时，计算该反应的平衡常数K＝___________。时间/s01234c(NO)/(×10－3mol·L－1)9.004.002.001.001.00c(CO)/(×10－3mol·L－1)9.004.002.001.001.00降低温度或增大压强或使用高效催化剂2.56×105\n解析：(1)该反应的正反应是气体分子总数减小的放热反应，要提高尾气处理的效果，即使平衡正向移动，可采取的措施有降低温度或增大压强(或压缩体积)；催化剂虽不能改变化学平衡，但使用催化活性较好的催化剂可加快反应速率，提高单位时间内尾气的处理量，提高处理尾气的效果。(2)此条件下达到平衡时，c(NO)＝c(CO)＝1.00×10－3mol·L－1，Δc(NO)＝8.00×10－3mol·L－1，c(N2)＝Δc(NO)＝×8.00×10－3mol·L－1＝4.00×10－3mol·L－1，c(CO2)＝Δc(NO)＝8.00×10－3mol·L－1，因此反应的平衡常数K＝＝＝2.56×105。\n情境创新设计O3是一种很好的消毒剂，具有高效、洁净、方便、经济等优点，O3可溶于水，在水中易分解，产生的[O]为游离氧原子，有很强的杀菌消毒能力，能杀灭新冠肺炎病毒。已知常温常压下发生的反应如下：反应①O3⇌O2＋[O]ΔH>0平衡常数为K1(反应进行程度较小)反应②[O]＋O3⇌2O2ΔH<0平衡常数为K2(反应进行程度较大)总反应：2O3⇌3O2ΔH<0平衡常数为K3[问题探究](1)你能比较K1和K2的大小吗？提示：反应进行程度越大，平衡常数越大。故K2大于K1。\n(2)降低压强，总反应平衡向哪个方向移动？此时K3如何变化？(3)升高温度，K1、K2、K3如何变化？(4)K3与K1、K2有何数量关系？提示：降低压强，平衡向正反应方向移动。但平衡常数只与温度有关，故降低压强K3不变。提示：放热反应，升高温度K值减小，吸热反应，升高温度K值增大。因此，升高温度K2、K3减小，K1增大。提示：由盖斯定律可知，反应①＋②可得总反应，则K＝K1·K2。\n考点二\n考点二　化学平衡常数和转化率的有关计算必备知识梳理·夯实学科基础1.三段式计算“三段式法”是有效解答化学平衡计算题的“万能钥匙”。解题时，要注意准确地列出起始量、变化量、平衡量，按题目要求进行计算，同时还要注意单位的统一。(1)分析三个量：即起始量、变化量、平衡量。(2)明确三个关系①对于同一反应物，起始量－变化量＝平衡量。②对于同一生成物，起始量＋变化量＝平衡量。③各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。\n(3)计算模式反应：mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量分别为amol、bmol，达到平衡后，A的转化量为mxmol，容器容积为VL，则有以下关系：mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)起始/molab00转化/molmxnxpxqx平衡/mola－mxb－nxpxqx\n则有：①K＝；②c平(A)＝mol·L－1；③α(A)平＝×100%；α(A)∶α(B)＝∶＝；④φ(A)＝×100%；⑤＝；⑥＝g·L－1[其中M(A)、M(B)分别为A、B的摩尔质量]；\n⑦平衡时体系的平均摩尔质量：＝g·mol－1。⑧生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越高，产率越大。产率＝×100%。\n2．Kp计算(1)Kp含义：在化学平衡体系中，用各气体物质的分压替代浓度计算的平衡常数叫压强平衡常数。(2)计算技巧：第一步，根据“三段式”法计算平衡体系中各物质的物质的量或物质的量浓度；第二步，计算各气体组分的物质的量分数或体积分数；第三步，根据分压计算公式求出各气体物质的分压，某气体的分压＝气体总压强×该气体的体积分数(或物质的量分数)；第四步，根据平衡常数计算公式代入计算。例如，N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)，压强平衡常数表达式为Kp＝。\n[深度思考]已知在密闭容器中发生可逆反应：M(g)＋N(g)⇌P(g)＋Q(g)ΔH>0。某温度下，反应物的起始浓度分别为c(M)＝1mol·L－1，c(N)＝2.4mol·L－1。思考并解答下列问题：(1)若达到平衡后，M的转化率为60%，列出“三段式”，计算此时N的平衡浓度是多少？答案：(1)M(g)＋N(g)⇌P(g)＋Q(g)初始/mol·L－112.400转化/mol·L－11×60%1×60%1×60%1×60%平衡/mol·L－10.41.80.60.6由三段式得N的平衡浓度为1.8mol·L－1。\n(2)若反应温度升高，该反应的平衡常数、M的转化率如何变化？(3)若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为：c(M)＝4mol·L－1，c(N)＝amol·L－1；达到平衡后，c(P)＝2mol·L－1，则M的转化率为________，N的起始浓度为________。由于该反应正向为吸热反应，温度升高，平衡右移，K值增大，M的转化率增大50%6mol·L－1\n解析：(3)M(g)＋N(g)⇌P(g)＋Q(g)初始浓度/mol·L－14a00转化浓度/mol·L－12222平衡浓度/mol·L－14－2a－222X(M)＝×100%＝50%温度不变，平衡常数不变，K＝＝＝，解得a＝6，即反应物N的起始浓度为6mol·L－1。\n题组强化训练·形成关键能力题组一化学平衡常数、转化率计算1．已知反应：CH2===CHCH3(g)＋Cl2(g)⇌CH2===CHCH2Cl(g)＋HCl(g)。在一定压强下，按w＝向密闭容器中充入氯气与丙烯。图甲表示平衡时，丙烯的体积分数(φ)与温度(T)、w的关系，图乙表示正、逆反应的平衡常数与温度的关系。则下列说法中错误的是()A.图甲中w2＞1B．图乙中，A线表示逆反应的平衡常数C．温度为T1、w＝2时，Cl2的转化率为50%D．若在恒容绝热装置中进行上述反应，达到平衡时，装置内的气体压强增大答案：C\n解析：根据题中信息可知，增大n(Cl2)，w增大，平衡正向移动，丙烯的体积分数(φ)减小，故w2＞1，A项正确；根据图甲可知，升高温度，丙烯的体积分数增大，说明平衡逆向移动，逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，则升高温度，正反应的平衡常数减小，逆反应的平衡常数增大，图乙中A线表示逆反应的平衡常数，B项正确；由图乙知，温度为T1时，正、逆反应的平衡常数相等，又因两者互为倒数，则平衡常数K＝1，当w＝2时，设CH2===CHCH3和Cl2的物质的量分别为amol、2amol，参加反应的Cl2的物质的量为bmol，利用三段式可列关系式＝1，解得＝，则Cl2的转化率约为33.3%，C项错误；该反应为反应前后气体体积不变的放热反应，反应向正反应方向进行，体系温度升高，气体膨胀，达到平衡时，装置内的气体压强将增大，D项正确。\n2．相同温度下，分别在起始体积均为1L的两个密闭容器中发生反应：X2(g)＋3Y2(g)⇌2XY3(g)ΔH＝－akJ·mol－1，实验测得反应的有关数据如下表。下列叙述正确的是()A．对于上述反应，①②中反应的平衡常数K的数值不同B．①中：从开始至10min内的平均反应速率v(X2)＝0.1mol·L－1·min－1C．②中：X2的平衡转化率小于10%D．b>0.1a容器反应条件起始物质的量/mol达到平衡所用时间/min达到平衡过程中的能量变化X2Y2XY3①恒容13010放热0.1akJ②恒压130t放热bkJ答案：D\n解析：①②中反应温度相同，平衡常数K的数值相同，A项错误；①中反应放热0.1akJ，说明10min内X2反应了0.1mol，物质的量浓度改变量为0.1mol·L－1，所以其平均速率为v(X2)＝0.01mol·L－1·min－1，B项错误；据容器①中数据，可算出X2的平衡转化率为10%，容器②是恒温恒压，容器①是恒温恒容，容器②相当于在容器①的基础上加压，平衡右移，所以X2的转化率大于10%，容器②放出的热量比容器①多，C项错误、D项正确。\n题组二　竞争反应、连续反应平衡常数的计算3．加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5(g)⇌N2O3(g)＋O2(g)，②N2O3(g)⇌N2O(g)＋O2(g)。在容积为2L的密闭容器中充入8molN2O5，加热到t℃，达到平衡状态后O2为9mol，N2O3为3.4mol。则t℃时反应①的平衡常数为()A．10.7B．8.5C．9.6D．10.2答案：B\n解析：设N2O5的转化浓度为xmol·L－1，N2O3的转化浓度为ymol·L－1。N2O5(g)⇌N2O3(g)＋O2(g)开始/mol·L－1400转化/mol·L－1xxx平衡/mol·L－14－xxxN2O3(g)⇌N2O(g)＋O2(g)开始/mol·L－1x0x转化/mol·L－1yyy平衡/mol·L－1x－yyx＋y根据题意得所以x＝3.1，y＝1.4，所以反应①的平衡常数为K＝＝＝8.5。\n4．CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有以下两个竞争反应：反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)⇌CH4(g)＋2H2O(g)反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)⇌C2H4(g)＋4H2O(g)为分析催化剂对反应的选择性，在1L密闭容器中充入2molCO2和4molH2，测得有关物质的物质的量随温度变化如图所示：该催化剂在较低温度时主要选择________(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)。520℃时，反应Ⅰ的平衡常数K＝________(只列算式不计算)。反应Ⅰ\n解析：温度较低时，CH4的物质的量多，所以该催化剂在较低温度时主要选择反应Ⅰ。CO2(g)＋4H2(g)⇌CH4(g)＋2H2O(g)转化mol·L－10.20.80.20.42CO2(g)＋6H2(g)⇌C2H4(g)＋4H2O(g)转化mol·L－10.41.20.20.8c(CO2)＝(2－0.2－0.4)mol·L－1＝1.4mol·L－1c(H2)＝(4－0.8－1.2)mol·L－1＝2mol·L－1c(H2O)＝(0.4＋0.8)mol·L－1＝1.2mol·L－1所以K＝\n题组三压强平衡常数5．将2molCO2和6molH2充入密闭容器中发生反应CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)，压强为0.1MPa和5.0MPa下CO2的平衡转化率随温度的变化关系如图所示。b点对应的平衡常数Kp＝________(Kp为以平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。\n解析：压强增大，反应向正反应方向移动，CO2的平衡转化率增大，所以b点所在的曲线表示压强为0.1MPa。\n[思维建模]压强平衡常数(Kp)的计算流程\n考点三\n必备知识梳理·夯实学科基础1.化学反应速率常数定义假设基元反应(能够一步完成的反应)为aA＋dD===gG＋hH，其反应速率可表示为v＝kca(A)cd(D)，式中的k称为反应速率常数或速率常数，与浓度无关，但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响，不同反应有不同的速率常数。2．正、逆反应的速率常数与平衡常数的关系对于基元反应aA(g)＋bB(g)⇌cC(g)＋dD(g)，v正＝k正ca(A)·cb(B)，v逆＝k逆cc(C)·cd(D)，平衡常数K＝＝，反应达到平衡时v正＝v逆，故K＝。\n知识拓展阿伦尼乌斯公式阿伦尼乌斯公式是化学反应速率常数随温度变化的经验公式，在反应速率与平衡试题中，可能以新信息的形式出现，也可能以图像的形式进行命题。(1)阿伦尼乌斯公式的指数式为k＝，其中k为反应速率常数，A为比例系数，e为自然对数的底，R为摩尔气体常量，Ea为活化能。①对于同一反应，Ea＞0时，升高温度，反应速率常数增大，化学反应速率增大。②对于不同反应，Ea值越大，改变温度对化学反应速率的影响程度就越大，这就是升高相同温度时，不同化学反应的速率增加的倍数不同的原因。(2)阿伦尼乌斯公式的定积分式为ln＝，不定积分式为lnk＝－·＋B，命题时，常会结合lnK～图像进行设问。\n题组强化训练·形成关键能力1.已知反应2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g)ΔH＝－746.8kJ/mol。测得v正＝k正c2(NO)·c2(CO)，v逆＝k逆c(N2)·c2(CO2)(k正、k逆为速率常数)。(1)达平衡后仅升高温度，k正增大的倍数________(填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大的倍数。(2)若在1L的密闭容器中充入1molCO和1molNO，在一定温度下达到平衡时，CO的转化率为40%，则＝________%(保留3位有效数字)。小于24.7解析：(2)＝K，结合转化率列“三段式”计算平衡量，进而计算K。\n2．2NO(g)＋O2(g)⇌2NO2(g)的反应历程如下：反应Ⅰ：2NO(g)⇌N2O2(g)(快)ΔH1<0v1正＝k1正·c2(NO)，v1逆＝k1逆·c(N2O2)；反应Ⅱ：N2O2(g)＋O2(g)⇌2NO2(g)(慢)ΔH2<0v2正＝k2正·c(N2O2)·c(O2)，v2逆＝k2逆·c2(NO2)。(1)一定条件下，反应2NO(g)＋O2(g)⇌2NO2(g)达到平衡状态，平衡常数K＝____________(用含k1正、k1逆、k2正、k2逆的代数式表示)。反应Ⅰ的活化能EⅠ________(填“>”“<”或“＝”)反应Ⅱ的活化能EⅡ。(2)已知反应速率常数k随温度升高而增大，则升高温度后k2正增大的倍数________k2逆增大的倍数(填“大于”“小于”或“等于”)。<小于\n解析：(1)由反应达平衡状态，所以v1正＝v1逆、v2正＝v2逆，所以v1正·v2正＝v1逆·v2逆，即k1正·c2(NO)·k2正·c(N2O2)·c(O2)＝k1逆·c(N2O2)·k2逆·c2(NO2)，则有K＝＝；因为决定2NO(g)＋O2(g)⇌2NO2(g)速率的是反应Ⅱ，所以反应Ⅰ的活化能EⅠ远小于反应Ⅱ的活化能EⅡ。\n考点四\n必备知识梳理·夯实学科基础一、化学反应进行的方向1．自发过程和自发反应：(1)自发过程。①含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自动进行的过程。②特点：A．体系趋向于从________状态转变为________状态(体系对外部做功或释放热量)。B.在密闭条件下，体系有从________自发转变为________的倾向(无序体系更加稳定)。③非自发过程：在一定条件下，需持续借助外力才能进行的过程。(2)自发反应。①含义：在给定的条件下，可以自发进行到显著程度的化学反应，称为自发反应。②非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。高能低能有序无序\n2．化学反应方向的判断：(1)焓判据。①________反应过程中体系能量降低，具有自发进行的倾向，因此可用焓变来判断反应进行的方向。②局限性：放热反应有利于反应自发进行，但有些吸热反应也能自发进行，例如：在25℃和101kPa时，2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ·mol－1。放热\n(2)熵和熵判据。①熵：用来量度体系________的物理量，符号为________，单位为J·mol－1·K－1。体系混乱程度越大，熵值________。同一种物质，不同状态，熵值大小为______________。②熵变(ΔS)：ΔS＝S(生成物)－S(反应物)。③熵增原理：在与外界隔绝的体系中，自发过程将导致体系的熵________，即熵变________零。④熵判据：A．体系有自发地向混乱度增大(即熵增)的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。B．局限性：熵增有利于反应自发进行，但有些熵值减小的反应，在一定条件下也能自发进行。如：NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)ΔS<0。混乱程度S越大S(g)>S(l)>S(s)增大大于\n(3)复合判据。研究表明，在恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据是体系自由能变化(ΔG、单位：kJ·mol－1)：ΔG＝ΔH－TΔS(注意：T的单位是“K”，不是“℃”)。①ΔG<0，反应________自发进行；②ΔG＝0，反应达到________状态；③ΔG>0，反应________自发进行。能平衡不能\n[易错易混辨析](错误的说明错因)(1)自发反应一定能发生，非自发反应一定不能发生()错因：__________________________________________________。(2)Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行()错因：__________________________________________________。(3)吸热反应不可以自发进行()错因：__________________________________________________。(4)同种物质气态时熵值最大()错因：__________________________________________________。×自发反应也得有一定条件√×有些吸热反应也能自发进行√\n【微点拨】\n\n二、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。\n三、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。如：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反应原理：N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。放热减少\n③从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件④综合考虑——选择适宜的生产条件a．温度：400～500℃b．压强：10～30MPac．投料比：＝d．以铁触媒作催化剂e．采用循环操作提高原料利用率升高增大催化剂增大降低\n情境创新设计氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨还作为工业原料，用于生产硝酸、各种含氮的无机盐等，液氨常用作制冷剂。下图是工业合成氨的工艺：\n[问题探究](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＝－92.4kJ·mol－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和氢气的转化率？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和氢气的转化率。\n(2)已知合成氨温度、压强与氨的含量关系如下温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.1013.823.131.4①合成氨时一般采用的压强为10～30MPa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10～30MPa。\n②合成氨时选择500℃而不选200℃是考虑的什么因素？选择500℃而不选1000℃是考虑的什么因素？③合成氨工业常使用铁触媒作催化剂，催化剂能提高产物中氨的百分含量吗？④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：选择500℃而不选200℃是考虑的催化剂活性与速率因素，选择500℃而不选1000℃是考虑的平衡因素。提示：不能。因为催化剂对化学平衡无影响，不能改变平衡状态。提示：为提高平衡转化率，工业上采取迅速冷却的方法，使氨气变成液氨并及时分离，分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。\n题组强化训练·形成关键能力题组一化学反应方向的判断1．[2022·平顶山模拟]下列说法正确的是()A．固体的溶解过程与熵变无关B．常温下，冰融化成水是自发的，说明水的混乱度大于冰C．放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的D．反应焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素答案：B\n2．[2022·嘉兴模拟]已知反应2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g)ΔH<0，该反应自发进行的条件是()A．低温自发B．高温自发C．任意温度下都能自发进行D．一定非自发答案：A\n题组二化学反应方向的应用3．(双选)研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是()A．ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度时均能自发进行B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应方向C．反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0D．一定温度下，反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0答案：AD\n解析：根据ΔG＝ΔH－TΔS，对于ΔH<0、ΔS>0的反应都有ΔG<0，即在任何温度下均能发生，故A正确；催化剂只能改变反应速率，不改变反应进行的方向，故B错误；反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)中有气体生成，即ΔS>0，由于室温下不能自发进行，所以ΔG＝ΔH－TΔS>0，即该反应的ΔH>0，故C错误；反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)中有气体生成，即ΔS>0，该分解反应是吸热反应，即ΔH>0，故D正确。\n4．氨是一种重要的化工原料，主要用于化肥工业，也广泛用于硝酸、纯碱、制药等工业；合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1。下列有关合成氨反应的说法正确的是()A．反应的ΔS>0B．反应的ΔH＝E(N—N)＋3E(H—H)－6E(N—H)(E表示键能)C．反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2×6.02×1023D．反应在高温、高压和催化剂条件下进行可提高H2的平衡转化率答案：C\n解析：在合成氨反应中，生成物气体分子数小于反应物气体分子数，所以反应的ΔS＜0，A不正确；反应的ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和＝E(N≡N)＋3E(H—H)－6E(N—H)(E表示键能)，B不正确；由合成氨反应N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)，可建立如下关系式：N2～3H2～6e－，则反应中每消耗1molH2转移电子的数目约等于2mol×6.02×1023mol－1＝2×6.02×1023，C正确；合成氨反应为放热的可逆反应，高温可加快反应速率，但会使平衡逆向移动，不能提高H2的平衡转化率，使用催化剂只能改变反应速率，但不能改变H2的平衡转化率，也就不能提高H2的平衡转化率，D不正确。\n题组三化学反应的调控在生产中的应用5．碳、氮能形成多种氧化物、氢化物。(1)已知：①2NO(g)⇌N2(g)＋O2(g)ΔH1＝－180.5kJ·mol－1②CO(g)＋O2(g)⇌CO2(g)ΔH2＝－283kJ·mol－1则NO与CO反应生成两种无毒气体的热化学方程式为______________________________________________________。2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)ΔH＝－746.5kJ·mol－1解析：NO与CO反应生成两种无毒气体，应为CO2和N2，化学方程式应为2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)；由已知：①2NO(g)⇌N2(g)＋O2(g)ΔH1＝；②CO(g)＋O2(g)⇌CO2(g)ΔH2＝－283kJ·mol－1；根据盖斯定律可知①＋②×2可得2CO(g)＋2NO(g)⇌2CO2(g)＋N2(g)ΔH＝－180.5kJ·mol－1＋(－283kJ·mol－1)×2＝－746.5kJ·mol－1。\n(2)使用高效催化剂可大大减少汽车尾气排放出的NOx含量，某研究所的科研人员探究了T1℃时等质量的三种催化剂对CO还原NO的催化效果(其他条件相同)，所得结果如图1所示。①如果不考虑催化剂价格，则使用催化剂______(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)最好；A、B两状态下，生成CO2的速率大小关系是____________。②若容器容积为2L，开始时加入0.5molNO、0.5molCO，在催化剂Ⅰ的作用下达到如图1所示平衡，则反应2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g)在该温度下的平衡常数K＝________。③在图2坐标系中画出使用催化剂Ⅰ(其他条件相同)时，25s时容器内反应的脱氮率(NO转化率)与温度的关系图。Ⅰv(A)>v(B)640\n解析：(2)①据图可知相同时间内使用催化剂Ⅰ的反应最先达到平衡，所以使用催化剂Ⅰ最好；据图可知A点曲线的斜率更大，反应速率更快。②据图可知25s时氮气的物质的量不再改变说明反应达到平衡，此时n(N2)＝0.2mol，根据方程式可知此时容器中n(CO2)＝0.4mol，Δn(NO)＝Δn(CO)＝0.4mol，初始投料为0.5molCO和0.5molNO，所以平衡时容器内n(NO)＝n(CO)＝0.1mol，容器的容积为2L，所以K＝＝640。\n6．氢能是一种公认的高热值清洁能源，目前世界各国正致力于将高污染高排放的碳能源过渡成清洁高效低排放的氢能源。(1)我国氢气的主要来源是焦炉气制氢，所制得的氢气含有较多的CO和H2S，中温干法脱硫是用氧化铁将硫元素转化为硫化铁。干法脱硫反应的化学方程式为____________________________。Fe2O3＋3H2S===Fe2S3＋3H2O解析：根据题干可知，该反应为氧化铁与H2S反应，生成硫化铁和水，反应的化学方程式为：Fe2O3＋3H2S===Fe2S3＋3H2O。\n(2)我国科研人员用木屑水蒸气气化制取氢燃料，在一定条件下，反应器中存在如下反应：ⅰ.CO2(g)＋C(s)===2CO(g)ΔH1ⅱ.C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔH2ⅲ.C(s)＋2H2(g)===CH4(g)ΔH3ⅳ.CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)ΔH4ⅴ.CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)ΔH5①ΔH5＝______________(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3或ΔH4的式子表示)。2ΔH2－ΔH1－ΔH3解析：根据盖斯定律2×ⅱ－ⅰ－ⅲ＝2×ⅳ－ⅲ＋ⅰ＝ⅱ＋ⅳ－ⅲ，则ΔH5＝2ΔH2－ΔH1－ΔH3＝2ΔH4－ΔH3＋ΔH1＝ΔH2＋ΔH4－ΔH3。\n②研究中CaO的添加量按照CaO中所含的Ca和松木屑所含碳的物质的量比确定，在750℃，控制水蒸气流量为0.1g/(min·g)下，探究催化剂加入量对产气组分和气化性能的影响，结果如表所示：由表中数据，＝________时最为合理。由0到0.5时，H2的体积分数显著增加的原因：__________________________________________________________________________。n(Ca)/n(C)气体体积分数碳转化率/%H2COCO2CH4045.5822.7022.377.5461.220.552.9521.7419.115.1456.591.058.6222.3712.605.3161.421.0CaO作为CO2的吸收剂，使产气中CO2分压降低，从而使水煤气变换反应平衡向生成H2的方向移动\n解析：根据表格中产氢率，＝1.0时最高；由0到0.5时，H2的体积分数显著增加的原因是CaO作为CO2的吸收剂，使产气中CO2分压降低，从而使水煤气变换反应平衡向生成H2的方向移动。\n体系的气化温度不仅对木屑的热解气化反应有影响，而且对CaO吸收CO2的能力以及CaCO3的分解反应也有很大影响。实验过程中，控制为1.0，水蒸气流量为0.1g/(min·g)，将气化反应温度从700℃升到850℃，气化温度对产氢率、产气率的影响如表：③从产氢率的角度考虑，最佳操作温度是____________。④随着反应的进行，发现CaO的吸收能力逐渐降低，原因是__________________________________________________________。温度/℃气体体积分数碳转化率/%H2COCO270051.7820.7519.8954.3775058.6222.3712.6061.4280055.6326.0512.7173.4385054.1626.9413.8283.34750℃CaO吸收CO2产生的CaCO3附着在CaO的表面，阻止了CaO对CO2的进一步吸收\n解析：③根据表格可知750℃时，产氢率最高。④CaO与二氧化碳反应生成碳酸钙，附着在CaO的表面，阻止了CaO对CO2的进一步吸收。\n(3)将氢气储存于液体燃料中，可以解决氢气的安全高效存储和运输问题。由于甲醇具有单位体积储氢量高、活化温度低等优点，是理想的液体储氢平台分子。我国学者构建一种双功能结构的催化剂，反应过程中，在催化剂的表面同时活化水和甲醇。如图是甲醇脱氢转化的反应历程(TS表示过渡态)。根据图像判断甲醇脱氢反应中断裂的化学键是___________，该反应的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。O—H和C—H小于\n解析：甲醇的结构简式为CH3OH，脱氢反应中断裂的化学键是O—H和C—H；该反应的相对能量降低，反应放热。\n高考真题演练\n1．[2021·全国甲卷(节选)]反应CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)，在起始物n(H2)/n(CO2)＝3时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH)，在t＝250℃下的x(CH3OH)～p、在p＝5×105Pa下的x(CH3OH)～t如图所示。①用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式Kp＝________________；②图中对应等压过程的曲线是________，判断的理由是__________________________________________________________________；③当x(CH3OH)＝0.10时，CO2的平衡转化率α＝_________，反应条件可能为________________或________________。b总反应ΔH<0，升高温度时平衡向逆反应方向移动，甲醇的物质的量分数变小33.3%5×105Pa，210℃9×105Pa，250℃\n解析：①根据总反应的化学方程式可知，其压强平衡常数表达式Kp＝。②氢气和二氧化碳合成甲醇的总反应为放热反应，则升温平衡向逆反应方向移动，混合气体中甲醇的物质的量分数减小，故曲线b表示等压过程的曲线。③根据起始物n(H2)/n(CO2)＝3，设初始时H2为3mol，CO2为1mol，达到平衡时转化的CO2为amol，应用三段式法计算：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)起始量/mol1300转化量/mola3aaa平衡量/mol1－a3－3aaa\n则＝0.10，计算得a＝，故CO2的平衡转化率为mol÷(1mol)×100%≈33.3%。结合上述分析知，曲线a、b分别对应t＝250℃下的x(CH3OH)～p的曲线、p＝5×105Pa下的x(CH3OH)～t的曲线，对照图像中的x(CH3OH)＝0.10可知，反应条件可能是5×105Pa，210℃或9×105Pa，250℃。\n2．[2021·山东卷(节选)]2甲氧基2甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下，可通过甲醇与烯烃的液相反应制得，体系中同时存在如图反应：回答下列问题：\n反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数Kx与温度T变化关系如图所示。(1)为研究上述反应体系的平衡关系，向某反应容器中加入1.0molTAME，控制温度为353K，测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3＝9.0，则平衡体系中B的物质的量为_____mol，反应Ⅰ的平衡常数Kx1＝________。同温同压下，再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释，反应Ⅰ的化学平衡将________(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)平衡时，A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)＝________。0.9α逆向移动1∶10\n解析：(1)根据反应Ⅲ的平衡常数Kx3＝9.0，知平衡体系中n(B)＝9n(A)，TAME转化的物质的量为1.0mol×α＝αmol，则A和B的物质的量之和为αmol，故平衡体系中B的物质的量为0.9αmol。达平衡时TAME为(1－α)mol，CH3OH为αmol，A为0.1αmol，B为0.9αmol，各物质的总物质的量为(1＋α)mol，则TAME的物质的量分数为，CH3OH的物质的量分数为，A的物质的量分数为，故反应Ⅰ的平衡常数Kx1＝＝。同温同压下再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释，各物质浓度均减小，根据勒夏特列原理知，反应Ⅰ的平衡向逆反应方向移动。温度不变反应Ⅲ的平衡常数不变，c(B)＝9c(A)，而c(CH3OH)＝c(B)＋c(A)，故c(A)∶c(CH3OH)＝1∶10。\n(2)为研究反应体系的动力学行为，向盛有四氢呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH。控制温度为353K，A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化如图所示。代表B的变化曲线为________(填“X”或“Y”)；t＝100s时，反应Ⅲ的正反应速率v正________逆反应速率v逆(填“＞”“＜”或“＝)。X<\n解析：(2)353K下Kx3＝9.0，平衡时c(B)＝9c(A)，则曲线X代表B的变化曲线。t＝100s时，Qx＝＝＝＝10.18>Kx3，则反应向逆反应方向进行，故正反应速率v正<逆反应速率v逆。\n随堂过关训练\n1．某温度下，在一个2L的密闭容器中，加入4molA和2molB，发生反应：3A(g)＋2B(g)⇌4C(s)＋2D(g)，反应一段时间后达到平衡状态，测得生成1.6molC。下列说法正确的是()A.该反应的化学平衡常数K＝B.B的平衡转化率是40%C.增大压强，化学平衡常数增大D.增加B的量，B的平衡转化率增大答案：B解析：化学平衡常数的表达式中不能出现固体或纯液体，而物质C是固体，A错误；根据化学方程式可知，平衡时B减少的物质的量是0.8mol，故B的平衡转化率为40%，B正确；化学平衡常数只与温度有关，增大压强，化学平衡常数不变，C错误；增加B的量，平衡向正反应方向移动，A的转化率增大，而B的转化率减小，D错误。\n2．可逆反应：2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2，下列说法正确的是(K为平衡常数，Q为浓度商)()A.Q变小，K不变，O2转化率减小B.Q不变，K变大，SO2转化率减小C.Q不变，K变大，O2转化率增大D.Q增大，K不变，SO2转化率增大答案：A解析：当可逆反应2SO2(g)＋O2(g)⇌2SO3(g)达到平衡状态时，保持恒温恒容向容器中加入一定量的O2，氧气的浓度增大，浓度商Q变小，平衡向右移动，氧气转化率减小，平衡常数只受温度影响，温度不变平衡常数不变，故A正确。\n3.K2Cr2O7溶液中存在平衡：＋2H＋ΔH＞0，分别在26.3℃、50.0℃恒温条件下，往100mL0.100mol·L－1的K2Cr2O7溶液中加入一定量K2Cr2O7固体，持续搅拌下pH传感器连续测量溶液的pH，得到如图实验图像，下列说法正确的是()A.曲线①是50.0℃的pHt曲线B.曲线②对应的平衡常数的数量级是10－14C.t1后)＝c(K＋)D.26.3℃，与0.100mol·L－1的K2Cr2O7溶液相比，达到新平衡时增大答案：B\n解析：升高温度使平衡正向移动，氢离子浓度变大，pH减小，所以曲线②是50.0℃的pHt曲线，A错误；反应H2O＋2H＋的平衡常数表达式为K＝，据图可知曲线②上0.100mol·L－1的K2Cr2O7溶液的pH＝3.75，所以)＝c(H＋)＝10－3.75mol·L－1，则K＝≈10－14，B正确；根据物料守恒n(Cr)＝n(K)，所以)＝c(K＋)，C错误；＝，加入一定量K2Cr2O7固体后pH减小，即c(H＋)增大，而K不变，所以该比值减小，D错误。\n4．有机物M生成有机物N的反应式为CH3OH，在190℃和210℃时M的转化率随反应时间的变化关系如图所示。设M的起始浓度为dmol/L，反应过程中液体的体积变化忽略不计。下列说法错误的是()A.为了提高M的转化率，反应进行时可以及时从反应体系中移出部分甲醇B.若b点时反应处于平衡状态，则210℃时反应的平衡常数K＝C.a、c两点的瞬时反应速率：v(a)＜v(c)D.190℃时，0～200min内M的平均反应速率为mol·L－1·min－1答案：C\n解析：及时从反应体系中移走生成物甲醇，可降低生成物浓度，使反应向正反应方向进行，从而提高反应物的转化率，A正确。b点时M的转化率为99%，根据“三段式”有\n则210℃时反应的平衡常数K＝，B正确。a、c两点反应的转化率相等，但达到a点所需时间短，曲线斜率大，故a点的瞬时反应速率大于c点的，C错误。190℃，200min时M的转化率为68%，则M的转化浓度为0.68dmol·L－1，0～200min内M的平均反应速率为mol·L－1·min－1，D正确。\n5．在1.0L密闭容器中放入0.10molA(g)，在一定温度条件下进行如下反应：A(g)⇌B(g)＋C(g)ΔH＝＋85.1kJ·mol－1。反应时间(t)与容器内气体总压强(p)的数据见下表：回答下列问题：(1)欲提高A的平衡转化率，应采取的措施为__________________(答出两项措施)。时间t/h0124816202530总压强p/100kPa4.915.586.327.318.549.509.529.539.53升高温度　降低压强\n(2)由总压强p和起始压强p0计算反应物A的转化率，α(A)的表达式为____________，平衡时A的转化率为________，列式并计算反应的平衡常数K：_________________________________________________。×100%94.1%A(g)⇌B(g)＋C(g)始态/mol·L－10.1000平衡态/mol·L－10.10×(1－94.1%)0.10×94.1%0.10×94.1%K＝≈1.5\n解析：(2)压强之比等于气体的物质的量之比，依据三段式进行求解A(g)⇌B(g)＋C(g)始态p000反应p0·α(A)p0·α(A)p0·α(A)终态p0－p0·α(A)p0·α(A)p0·α(A)p＝[p0－p0·α(A)＋p0·α(A)＋p0·α(A)]＝p0＋p0·α(A)，求得α(A)＝×100%；25h时反应已平衡，α(A)＝×100%≈94.1%；依据三段式进行求解A(g)⇌B(g)＋C(g)始态/(mol·L－1)0.1000反应/(mol·L－1)0.09410.09410.0941平衡态/(mol·L－1)0.10－0.09410.09410.0941K＝≈1.5。\n(3)①由总压强p和起始压强p0表示反应体系的总物质的量n总和反应物A的物质的量n(A)，n总＝________mol，n(A)＝___________mol。②下表为反应物A浓度与反应时间的数据，计算：a＝________。分析该反应中反应物的浓度c(A)变化与时间间隔(Δt)的规律，得出的结论是________________________________，由此规律推出反应在12h时反应物的浓度c(A)为________mol·L－1。反应时间t/h04816c(A)/(mol·L－1)0.10a0.0260.00650.10×0.10×0.051达到平衡前每间隔4h，c(A)减少约一半0.013\n解析：(3)①依据＝可得，n总＝×0.10mol；n(A)＝0.10mol×[1－α(A)]＝0.10mol×＝0.10mol×；②n(A)＝0.10mol×＝0.10mol×≈0.051mol，体积为1L，a＝0.051mol·L－1；0～4h浓度大约变为0h时的，4～8h的浓度又变为4h的，从8～16h经过8个小时浓度变为8h的，所以每经过4个小时浓度均降低为原来的。