2.1 化学反应的方向（7大题型专项训练） 化学沪科版2020选择性必修1

专题04 化学反应的方向 题型01 自发过程与自发反应 题型02 自发反应的焓判据 题型03 自发反应的熵判据 题型04 自发反应的复合判据 题型05 复合判据的相关计算 题型06 温度对反应方向的影响 题型07 合成氨工业 题型01 自发过程与自发反应 1．自发过程：在一定条件下，不需借助外力就能 的过程。 （1）特点：①高能状态→低能状态（对外做功或 热量）； ②有序→无序（无序体系更加 ）。 （2）实例：高山流水，自由落体，冰雪融化。 2．自发反应：在给定的条件下，能“自己”进行的化学反应。如： ， 。 （1）特点： ①具有 ，即反应的某个方向在一定条件下是自发的，则其逆反应在该条件下肯定不自发。 ②体系趋向于从 状态转变为 状态。 ③体系趋向于从 体系转变为 体系。 3. 易错警示 （1）不能认为自发反应都是不需要任何条件就能发生的，自发反应的“一定的条件”，可以是一定的温度和压强，可以是“点燃、光照、加热、高温”等给反应物提供能量的条件，“外界帮助”指通电、放电等，如氢气的燃烧是自发的通过需点燃才能发生；也不能认为非自发反应在任何条件下都是不能发生的，如NaCl 在 条件可分解生成Na和Cl2。 （2）不能认为自发反应应用普通，非自发反应没有应用价值。将电能、热能转化为化学能的许多非自发反应是制备物质的重要反应，如电解法去冶炼钠、镁、铝和制取氯气等。 （3）反应能否自发进行与反应速率无关。 【典例3】 化学与生活息息相关。下列不属于自发进行的变化是 A．墨汁加到清水中使整杯水变黑 B．水在0℃以下结为冰 C．水从高处往低处流 D．石灰石转化为生石灰 【变式3-1】下列属于非自发过程的是 A．雨水下落过程 B．蔗糖在水中溶解 C．天然气的燃烧 D．室温下水结成冰 【变式3-2】下列说法正确的是 A．自发反应是指不需要条件就能发生的反应 B．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程 C．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 D．常温下，反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的△H＞0 【变式3-3】下列反应属于非自发反应的是 A．钠与水反应 B．氢气在氧气中燃烧生成水 C．水分解变成氢气和氧气 D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵 题型02 自发反应的焓判据 1．放热过程中体系能量 ， 的反应有自发的倾向。 2．不少吸热反应也能在一定条件下也能自发进行。 3．ΔH<0只是有利于反应自发进行的一个因素，而不是唯一的因素。 【典例2】实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是（ ） A．所有的放热反应都是自发进行的 B．所有的自发反应都是放热的 C．焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素 D．焓变是决定反应是否具有自发性的唯一因素 【变式2-1】不能用焓判据解释的自发进行的反应过程是(　　) A．铁在潮湿空气中生锈 B．天然气的燃烧 C．铜在潮湿空气中产生铜绿 D．NH4Cl与Ba(OH)2·8H2O反应产生NH3 【变式2-2】下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是(　　) A．化学反应的焓变与其反应的方向无关 B．化学反应的焓变直接决定了反应的方向 C．反应焓变为正值时不利于反应自发进行 D．焓变为负值的反应都能自发进行 【变式2-3】以下反应均为自发反应，其中不能用焓判据解释的是（ ） A．2Na(s)＋Cl2(g)===2NaCl(s)　ΔH＜0 B．C3H8(g)＋5O2(g)===3CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0 C．2NH4Cl(s)＋Ca(OH)2(s)===2NH3(g)＋CaCl2(s)＋2H2O(l)　ΔH＞0 D．2Mg(s)＋O2(g)=== 2MgO(s)　ΔH＜0 题型03 自发反应的熵判据 1．熵、熵变的概念 （1）熵：衡量体系 的物理量，符号为 ,单位为： 。 （2）熵变：生成物与反应物熵值之 ，符号为 。 2．熵值大小 （1）同一条件下，不同的物质熵值 。 （2）体系的熵值：体系的 越大，体系的熵值就 。 （3）同一物质的熵值：S（g） S（l） S（s），同一物质的物质的量越大，分子数越多，熵值越大；同一条件下，不同物质的熵值不同。 （4）物质的复杂程度：一般组成物质的原子种类相同时，分子中的原子数目越多，其混乱度越 ，熵值越 。 （5）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。 3．熵变与反应的方向 ①反应熵变的计算式：△S＝S（生成物）－S（反应物） 变化过程 熵变 反应类型 增体反应 △S 0 熵 反应 减体反应 △S 0 熵 反应 盐的溶解 △S 0 熵 反应 电离过程 △S 0 熵 反应 ②熵判据：体系有自发地向混乱度 (即熵增)的方向转变的倾向，因此可用 来判断反应进行的方向。 ③有些熵减的反应也能自发进行，如 反应，故只用熵变来判断反应方向也不全面，只有 体系或 体系，才能用熵增来判断反应方向。 4．熵变正、负的判断 （1）物质由 态到 态、由 态到 态或由 态到 态的过程，熵变为 ，是 过程。 （2）气体体积 的反应，熵变通常都是 ，是 反应。 （3）气体体积 的反应，熵变通常都是 ，是 反应。 5. 易错提醒 1. 自发与否由焓变与熵变共同决定，熵减小的化学反应也可能自发进行. 2. 有气体生成的反应气体不一定增多，不一定是熵增大的反应，但凡气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应。 【典例3】下列说法中，正确的是 A．同一物质，S(g) > S(l) > S(s) B．固体溶解是一个熵减小的过程 C．能够自发进行的反应一定是熵增加的过程 D．能够自发进行的反应一定是放热反应 【变式3-1】以下说法中正确的是 A．所有∆H<0的反应均是自发反应 B．高锰酸钾加热分解是一个熵减小的过程 C．冰在室温下自动熔化成水，是熵增的过程 D．自发进行的反应一定能迅速进行 【变式3-2】下列与熵有关的叙述中不正确的是 A．粒子无规则排列程度越大，体系的熵越大 B．自发进行的化学反应都是熵增的过程 C．绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行 D． 【变式3-3】相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较，合理的是（ ） A．1 mol CH4(g)＜1 mol H2(g) B．1 mol H2O(g)＜2 mol H2O(g) C．1 mol H2O(s)＞1 mol H2O(l) D．1 mol C(s，金刚石)＞1 mol C(s，石墨) 题型04 自发反应的复合判据 1．化学反应方向的判据 在温度、压强一定的条件下，对于除了体积功以外不做其他功的化学反应，把焓变、熵变以能量的形式组合在一起，以ΔH－TΔS为判据。 ΔH－TΔS 0　反应正向能自发进行； ΔH－TΔS 0　反应达到平衡状态； ΔH－TΔS 0　反应正向不能自发进行。 2．对“ΔH－TΔS”的讨论： （1）ΔH 0，ΔS 0的反应，任何温度下都能自发进行； （2）ΔH 0，ΔS 0的反应任何温度下都不能自发进行； （3）ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温 对反应的方向起决定性作用。 ①当ΔH<0，ΔS<0时， 下反应能自发进行； ②当ΔH>0，ΔS>0时， 下反应能自发进行。  （4）当反应的焓变和熵变的影响相反时，且大小相差悬殊时，某一因素可能占主导地位。 ①常温下的放热反应，焓变对反应方向起决定性作用。 ②常温下的吸热反应，熵变对反应方向起决定性作用。 3. 易错提醒 (1)非自发过程在一定条件下可能变成自发过程，如铜和稀硫酸在电解条件下可发生。 (2)需要加热才能够进行的过程可能是自发过程，如碳酸钙高温分解。 【典例4】下列关于焓判据和熵判据的说法中，不正确的是 A．放热的自发过程可能是熵减小的过程，吸热的自发过程一定为熵增加的过程 B．放热过程或熵增加的过程一定是自发的 C．碳酸钙分解反应在室温下不能自发进行，但在较高温度下可能自发进行 D．　　在常温常压下能自发进行 【变式4-1】下列说法完全正确的是 A．自发进行的反应均是ΔH<0的反应 B．ΔS为正值的反应均能自发进行 C．物质的量增加的反应，ΔS为正值 D．CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)　ΔS>0 【变式4-2】 下列对化学反应预测正确的是 选项 化学反应方程式 已知条件 预测 A M(s)=X(g)＋Y(s) ΔH>0 它是非自发反应 B W(s)＋xG(g)=2Q(g) ΔH<0，自发反应 x可能等于1、2、3 C 4X(g)＋5Y(g)=4W(g)＋6G(g) 能自发反应 ΔH一定小于0 D 4M(s)＋N(g)＋2W(l)=4Q(s) 常温下，自发进行 ΔH>0 【变式4-3】下列说法正确的是 A．反应N2+3H22NH3的△H<0，△S>0 B．反应2CO(g)+2NO(g)=N2(g)+2CO2(g) △H>0在常温下能自发进行 C．反应2Mg(s)+CO2(g)=C(s)+2MgO(s)的△H<0，则该反应能在高温自发进行 D．反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)常温下不能自发进行，则该反应的△H>0 题型05 复合判据的相关计算 1. 自由能变化 符号为 ，单位为 。 2. 自由能变化与焓变、熵变的关系 ΔG＝ 。ΔG不仅与焓变、熵变有关，还与 有关。 【典例5】在一定温度下，利用催化剂将分解为和。已知该反应的ΔH=+90.8kJ/mol，ΔS=198.9J·mol-1·K-1，哪个温度下反应能自发进行 A．30℃ B．90℃ C．140℃ D．200℃ 【变式5-1】闪电时空气中的N2和O2会发生反应：N2(g)＋2O2(g)===2NO2(g)　ΔH＝180.50 kJ·mol－1，ΔS＝247.3 J·mol－1·K－1，若不考虑温度对该反应焓变的影响，则下列说法中正确的是(　　) A．在1 000 ℃时，此反应能自发进行 B．在1 000 ℃时，此反应不能自发进行 C．该反应能自发进行的最低温度约为730 ℃ D．该反应能自发进行的最高温度约为730 K 【变式5-2】已知2CO(g)CO2(g)+C(s)，T＝980K时，ΔH－TΔS＝0。当体系温度低于980K时，估计ΔH－TΔS的正负符号为________ __；当体系温度高于980K时，ΔH－TΔS的正负符号为__________。在冶金工业中，以C作为还原剂，温度高于980K时的氧化产物是以__________为主，低于980K时以__________为主。 【变式5-3】已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个裂解反应： ① CH4(g)→C(s)+2H2(g)，②2CH4(g)→C2H2(g)+3H2(g)。 某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到如下热力学数据： ①反应的ΔH(298 K) = +74.848 kJ/mol，ΔS(298 K) = +80.674 J/(mol·K) ②反应的ΔH(298 K) = +376.426 kJ/mol，ΔS(298 K) = +220.211 J/(mol·K) 已知焓变和熵变随温度变化很小。请帮助这位同学考虑如下问题： (1)反应①属于 (填“高温”或“低温”)自发反应。 (2)判断反应①自发进行是由 (填“焓变”或“熵变”)决定的。 (3)通过计算判断反应①在常温下能否自发进行。 。 (4)求算制取炭黑的允许温度范围： 。 (5)为了提高甲烷的炭化程度，你认为下面四个温度中最合适的是 (填字母)。 A．905.2 K B．927 K C．1 273 K D．2 000 K 题型06 温度对反应方向的影响 温度对反应方向的影响： 【典例6】已知“凡气体分子总数增加的反应都是熵增大的反应”。下列反应在任何温度下都不自发进行的是 A．2O3(g)=3O2(g)　H<0 B．2CO(g)=2C(s)+O2(g)　H>0 C．N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)　H<0 D．CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)　H>0 【变式6-1】 某反应2AB(g) = C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为(　　) A．ΔH＜0、ΔS＞0 B．ΔH＜0、ΔS＜0 C．ΔH＞0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＜0 【变式6-2】甲醇与在有水条件下生成硫酸氢甲酯的反应部分历程如图所示。，其中粒子间的静电作用力用“…”表示。下列说法正确的是 A．该反应在低温下较易自发进行 B．反应历程中最大能垒(活化能)为 C．水合分子比水合分子更稳定 D．水的参与降低了该反应的焓变 【变式6-3】下列说法不正确的是 A．反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)在高温时才能自发进行，说明该反应熵变ΔS＞0 B．常温下，若反应A(s)+B(g)C(g)+D(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0 C．反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)常温下能自发进行，则该反应的ΔH＞0 D．CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)  ΔH＞0，高温能自发进行 题型07 合成氨工业 1．合成氨反应的特点 合成氨反应 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 自发性 常温(298 K)下，ΔH－TΔS ，能 进行 可逆性 反应为 反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 体积变化(熵变) ΔS＜0，正反应是气体体积 的反应 2．浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和氨的含量的影响 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应 、提高平衡混合物中 的含量，请填写下表。 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反应速率 反应物浓度 温度 压强 使用 提高平衡混合物中中氨的含量 增大反应物浓度， 降低生成物浓度 温度 压强 无影响 3．数据分析 在不同温度和 下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中 的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是 、 ；提高平衡混合物中氨的含量的条件是 、 。二者在温度这一措施上是不一致的。 4．工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的 越大，会增加生产投资，并可能 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为 MPa 温度 原理分析 ① 有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故 ③催化剂的 在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为 ℃(此温度下催化剂的 ) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然 。 使用 在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以 为主体的多成分催化剂，又称 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过 ) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中 的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速 的方法，使气态氨变成 后及时从平衡混合物中分离出去 将 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 (既提高了原料的 ，又提高了 ，有利于合成氨反应) 5．合成氨的工艺流程 （1）造气：原料气中氮气来自空气，从空气中获得氮气通常有两种方法:一是将空气液化、蒸发，分离出氮气；二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。而氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为： （2）净化：在制取原料气的过程中，常混有一些杂质气体，其中如 H2S、CO 等杂质会使合成氨所用的催化剂中毒，所以必须除去。 （3）合成：净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，加压后的H2、N2，需加热到催化剂的活性温度后才能进入氨合成塔中的催化区，在催化剂表面反应生成氨。从合成塔出来的混合气体中氨含量为10%~ 20%，需要将产品氨与未反应的H2、N2分离，将未反应的 H2、N2作为循环气再返回合成塔。合成氨反应为放热反应，可通过热交换器有效利用此反应热来预热反应前的H2、N2，降低合成氨的成本。 未来：研制在更低温度和压强下具有更高活性的催化剂。 【典例6】已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出；⑥补充或⑦加催化剂； A．③④⑤⑦ B．②④⑥ C．仅②⑥ D．②③⑥⑦ 【变式6-1】 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 【变式6-2】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下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 【变式6-3】氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用，合成氨工业在国民生产中有重要意义。以下是关于合成氨的有关问题，请回答： （1）在容积为2L的恒温密闭容器中加入0.1mol的N2和0.3mol的H2在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0，在5分钟时反应恰好达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.1mol。这段时间内用H2表示的反应速率为v(H2)=____。 （2）平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有____。(答一条即可) （3）下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态的依据是____(填序号字母)。 A．容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2 B．v(H2)正=3v(N2)逆 C．混合气体的密度保持不变 D．容器内压强保持不变 （4）已知合成氨反应N2+3H2⇌2NH3在400℃时的平衡常数K=0.5(mol/L)-2。在400℃时，测得某时刻c(N2)=2mol/L、c(H2)=2mol/L、c(NH3)=3mol/L，此时刻该反应的v正____v逆(填“>”“=”或“<”)。 （5）如图表示在恒压密闭容器中，不同温度下，达到平衡时NH3的体积百分数与投料比[]的关系。 由此判断KA、KB、KC的大小关系为： 。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题04 化学反应的方向 题型01 自发过程与自发反应 题型02 自发反应的焓判据 题型03 自发反应的熵判据 题型04 自发反应的复合判据 题型05 复合判据的相关计算 题型06 温度对反应方向的影响 题型07 合成氨工业 题型01 自发过程与自发反应 1．自发过程：在一定条件下，不需借助外力就能__自发进行_的过程。 （1）特点：①高能状态→低能状态（对外做功或释放热量）； ②有序→无序（无序体系更加稳定）。 （2）实例：高山流水，自由落体，冰雪融化。 2．自发反应：在给定的条件下，能“自己”进行的化学反应。如：钢铁生锈，氢气燃烧。 （1）特点： ①具有方向性，即反应的某个方向在一定条件下是自发的，则其逆反应在该条件下肯定不自发。 ②体系趋向于从高能量状态转变为低能量状态。 ③体系趋向于从有序体系转变为无序体系。 3. 易错警示 （1）不能认为自发反应都是不需要任何条件就能发生的，自发反应的“一定的条件”，可以是一定的温度和压强，可以是“点燃、光照、加热、高温”等给反应物提供能量的条件，“外界帮助”指通电、放电等，如氢气的燃烧是自发的通过需点燃才能发生；也不能认为非自发反应在任何条件下都是不能发生的，如NaCl在通电条件可分解生成Na和Cl2。 （2）不能认为自发反应应用普通，非自发反应没有应用价值。将电能、热能转化为化学能的许多非自发反应是制备物质的重要反应，如电解法去冶炼钠、镁、铝和制取氯气等。 （3）反应能否自发进行与反应速率无关。 【典例3】 化学与生活息息相关。下列不属于自发进行的变化是 A．墨汁加到清水中使整杯水变黑 B．水在0℃以下结为冰 C．水从高处往低处流 D．石灰石转化为生石灰 【答案】D 【解析】A．墨汁浓度大于水，微粒向浓度低的方向分散是自发进行的物理变化，A错误； B．水的凝固点为0℃，水在常温下是液体，水在0℃以下结为冰，是自发进行的物理变化，B错误； C．水从高处往低处流，是能量降低的过程，是自发进行的变化，C错误； D．石灰石转化为生石灰需要在高温条件下进行，该变化过程不是自发进行的，D错误； 故选D。 【变式3-1】下列属于非自发过程的是 A．雨水下落过程 B．蔗糖在水中溶解 C．天然气的燃烧 D．室温下水结成冰 【答案】D 【解析】A．雨水下落过程，是自发进行的过程，故A不选； B．蔗糖在水中溶解常温下可自发进行，故B不选； C．常温下天然气燃烧生成二氧化碳和水，反应放热ΔH＜0，△S＜0，ΔH-T△S＜0，属于自发进行的过程，C不选； D．室温下水结成冰是温度降低作用下的变化，不是自发进行的反应，故D选； 故选D。 【变式3-2】下列说法正确的是 A．自发反应是指不需要条件就能发生的反应 B．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程 C．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 D．常温下，反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的△H＞0 【答案】D 【解析】A．自发反应是指在一定温度和压强下，不需要外界帮助即可发生的化学反应，A错误； B．非自发过程在一定条件下可能变为自发过程，如碳酸钙受热分解的反应是熵增的吸热反应，属于在高温下进行的非自发过程，B错误； C．使用催化剂只能降低反应的活化能，加快反应速率，但不能改变化学反应进行的方向，C错误； D．碳与二氧化碳生成一氧化碳的反应是熵增的反应，由常温下该反应不能自发进行可知，反应ΔH—TΔS＞0，则该反应的焓变ΔH＞0，D正确； 故选D。 【变式3-3】下列反应属于非自发反应的是 A．钠与水反应 B．氢气在氧气中燃烧生成水 C．水分解变成氢气和氧气 D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵 【答案】C 【解析】A．钠与水在常温下能够发生反应，A错误； B．虽然需要点燃或加热，但反应一旦发生，就能自发地进行下去，B错误； C．水分解变成氢气和氧气需要持续不断的通电，所以水分解变成氢气和氧气是非自发的反应，C正确； D．氨气与氯化氢相遇变成氯化铵，在常温条件下能够发生，D错误； 故选C。 题型02 自发反应的焓判据 1．放热过程中体系能量降低_，ΔH<0的反应有自发的倾向。 2．不少吸热反应也能在一定条件下也能自发进行。 3．ΔH<0只是有利于反应自发进行的一个因素，而不是唯一的因素。 【典例2】实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是（ ） A．所有的放热反应都是自发进行的 B．所有的自发反应都是放热的 C．焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素 D．焓变是决定反应是否具有自发性的唯一因素 【答案】C 【解析】多数能自发进行的反应都是放热反应，并不是所有自发进行的反应都是放热反应，如氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应是自发进行的吸热反应，所以只能说焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素，但不是唯一因素，C正确。 故选C。 【变式2-1】不能用焓判据解释的自发进行的反应过程是(　　) A．铁在潮湿空气中生锈 B．天然气的燃烧 C．铜在潮湿空气中产生铜绿 D．NH4Cl与Ba(OH)2·8H2O反应产生NH3 【答案】D 【解析】A. 铁在潮湿空气中能自发产生铁锈、能量降低，是能用焓判据解释的自发过程，A错误； B. 天然气燃烧生成CO2和水时放热、能量降低，是能用焓判据解释的自发过程，B错误； C．铜在潮湿空气中能自发产生铜绿，能量降低，是能用焓判据解释的自发过程，C错误； D．NH4Cl与Ba(OH)2·8H2O反应产生NH3，可以产生结冰现象，是一个吸热的自发过程，不能用焓判据解释，D正确； 故选D。 【变式2-2】下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是(　　) A．化学反应的焓变与其反应的方向无关 B．化学反应的焓变直接决定了反应的方向 C．反应焓变为正值时不利于反应自发进行 D．焓变为负值的反应都能自发进行 【答案】C 【解析】大多数ΔH＜0的化学反应是自发进行的，也有少数ΔH＞0的化学反应可以自发进行，正反应吸热，不利于反应的正向进行，故选C。 【变式2-3】以下反应均为自发反应，其中不能用焓判据解释的是（ ） A．2Na(s)＋Cl2(g)===2NaCl(s)　ΔH＜0 B．C3H8(g)＋5O2(g)===3CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0 C．2NH4Cl(s)＋Ca(OH)2(s)===2NH3(g)＋CaCl2(s)＋2H2O(l)　ΔH＞0 D．2Mg(s)＋O2(g)=== 2MgO(s)　ΔH＜0 【答案】C 【解析】ABD选项的ΔH<0，C项反应的ΔH>0，由焓判断ΔH>0反应无法判断自发进行，而题给条件是能自发进行，所以C项中的反应不能用焓判据解释。 题型03 自发反应的熵判据 1．熵、熵变的概念 （1）熵：衡量体系混乱程度的物理量，符号为S,单位为：J·mol－1·K－1。 （2）熵变：生成物与反应物熵值之差，符号为△S。 2．熵值大小 （1）同一条件下，不同的物质熵值不同。 （2）体系的熵值：体系的混乱程度越大，体系的熵值就越大。 （3）同一物质的熵值：S（g）＞S（l）＞S（s），同一物质的物质的量越大，分子数越多，熵值越大；同一条件下，不同物质的熵值不同。 （4）物质的复杂程度：一般组成物质的原子种类相同时，分子中的原子数目越多，其混乱度越大，熵值越大。 （5）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。 3．熵变与反应的方向 ①反应熵变的计算式：△S＝S（生成物）－S（反应物） 变化过程 熵变 反应类型 增体反应 △S＞0 熵增反应 减体反应 △S＜0 熵减反应 盐的溶解 △S＞0 熵增反应 电离过程 △S＞0 熵增反应 ②熵判据：体系有自发地向混乱度 增加 (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。 ③有些熵减的反应也能自发进行，如铝热反应，故只用熵变来判断反应方向也不全面，只有孤立体系或绝热体系，才能用熵增来判断反应方向。 4．熵变正、负的判断 （1）物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，熵变为正值，是熵增过程。 （2）气体体积增大的反应，熵变通常都是正值，是熵增反应。 （3）气体体积减小的反应，熵变通常都是负值，是熵减反应。 5. 易错提醒 1. 自发与否由焓变与熵变共同决定，熵减小的化学反应也可能自发进行. 2. 有气体生成的反应气体不一定增多，不一定是熵增大的反应，但凡气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应。 【典例3】下列说法中，正确的是 A．同一物质，S(g) > S(l) > S(s) B．固体溶解是一个熵减小的过程 C．能够自发进行的反应一定是熵增加的过程 D．能够自发进行的反应一定是放热反应 【答案】A 【解析】A．同一物质气态时的熵值最大，液态时的次之，固态时的最小，A正确； B．固体溶解过程，体系混乱度增大，所以是熵增的过程，B错误； C．能够自发进行的反应不一定是熵增加的过程，要考虑焓变，C错误； D．能够自发进行的反应可能是吸热反应，如，在高温下，可自发进行，D错误； 故选A。 【变式3-1】以下说法中正确的是 A．所有∆H<0的反应均是自发反应 B．高锰酸钾加热分解是一个熵减小的过程 C．冰在室温下自动熔化成水，是熵增的过程 D．自发进行的反应一定能迅速进行 【答案】C 【解析】A．高温条件下熵减的放热反应的∆H—T∆S＞0，反应不能自发进行，故A错误； B．高锰酸钾受热分解生成氧气的反应是一个熵增的反应，故B错误； C．冰在室温下自动熔化成水是一个混乱度增大的熵增的过程，故C正确； D．反应能否自发进行与反应速率无关，则自发进行的反应不一定能迅速进行，如氢气和氧气在常温下化合成水是一个自发反应，但是反应速率非常慢，实际上是不能发生的，故D错误； 故选C。 【变式3-2】下列与熵有关的叙述中不正确的是 A．粒子无规则排列程度越大，体系的熵越大 B．自发进行的化学反应都是熵增的过程 C．绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行 D． 【答案】B 【解析】A．熵是衡量体系混乱度的物理量，粒子无规则排列程度越大，混乱度越大，熵越大，A正确； B．反应倾向于向熵增方向进行，只要满足吉布斯自由能小于零，如放热反应，熵减也可能满足吉布斯自由能小于零，反应自发进行，B错误； C．反应倾向于向熵增方向进行，故绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行，C正确； D．相同状况下的不同分子原子数越多越乱，乙烷中原子数多，混乱度大，熵大，D正确； 故选B。 【变式3-3】相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较，合理的是（ ） A．1 mol CH4(g)＜1 mol H2(g) B．1 mol H2O(g)＜2 mol H2O(g) C．1 mol H2O(s)＞1 mol H2O(l) D．1 mol C(s，金刚石)＞1 mol C(s，石墨) 【答案】B 【解析】A．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 mol CH4(g)＞1 mol H2(g)，A错误； B．相同状态的相同物质，物质的量越大，熵值越大，所以熵值1 mol H2O(g)＜2 mol H2O(g)，B正确； C．等量的同物质，熵值关系为：S(g)＞S(1)＞S(s)，所以熵值1 mol H2O(s)＜1 mol H2O(l)，C错误； D．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，D错误； 故选B。 题型04 自发反应的复合判据 1．化学反应方向的判据 在温度、压强一定的条件下，对于除了体积功以外不做其他功的化学反应，把焓变、熵变以能量的形式组合在一起，以ΔH－TΔS为判据。 ΔH－TΔS<0　反应正向能自发进行； ΔH－TΔS＝0　反应达到平衡状态； ΔH－TΔS>0　反应正向不能自发进行。 2．对“ΔH－TΔS”的讨论： （1）ΔH < 0，ΔS　>　0的反应，任何温度下都能自发进行； （2）ΔH　>　0，ΔS　<　0的反应任何温度下都不能自发进行； （3）ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大时，温度对反应的方向起决定性作用。 ①当ΔH<0，ΔS<0时，　低温　下反应能自发进行； ②当ΔH>0，ΔS>0时，　高温　下反应能自发进行。  （4）当反应的焓变和熵变的影响相反时，且大小相差悬殊时，某一因素可能占主导地位。 ①常温下的放热反应，焓变对反应方向起决定性作用。 ②常温下的吸热反应，熵变对反应方向起决定性作用。 3. 易错提醒 (1)非自发过程在一定条件下可能变成自发过程，如铜和稀硫酸在电解条件下可发生。 (2)需要加热才能够进行的过程可能是自发过程，如碳酸钙高温分解。 【典例4】下列关于焓判据和熵判据的说法中，不正确的是 A．放热的自发过程可能是熵减小的过程，吸热的自发过程一定为熵增加的过程 B．放热过程或熵增加的过程一定是自发的 C．碳酸钙分解反应在室温下不能自发进行，但在较高温度下可能自发进行 D．　　在常温常压下能自发进行 【答案】B 【解析】A．反应自发进行的判断依据是ΔH-TΔS＜0，放热的自发过程中ΔH＜0，ΔS可能小于0也可能大于0，所以放热的自发过程可能是熵减小的过程；吸热的自发过程中ΔH＞0、ΔH-TΔS＜0，则ΔS必须＞0，所以吸热的自发过程一定为熵增加的过程，A正确； B．当ΔH-TΔS＜0时反应自发，仅ΔH＜0或ΔS＞0无法确保ΔH-TΔS＜0，即不一定自发，B错误； C．碳酸钙分解的方程式为CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)，其中ΔH＞0，ΔS＞0，高温时才能满足反应自发进行的条件ΔH-TΔS＜0，所以碳酸钙的分解在室温下不能自发进行，但在较高温度(1200K)下能自发进行，C正确； D．常温下T=298K，则-444.3kJ•mol-1 - 298K × (-280.110-3kJ•mol-1•K-1)= -360.8302kJ/mol ＜ 0，即ΔH-TΔS＜0，所以该反应在常温常压能自发进行，D正确； 故选B。 【变式4-1】下列说法完全正确的是 A．自发进行的反应均是ΔH<0的反应 B．ΔS为正值的反应均能自发进行 C．物质的量增加的反应，ΔS为正值 D．CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)　ΔS>0 【答案】D 【解析】A．自发反应由ΔH−TΔS决定，吸热反应（ΔH>0）若ΔS足够大且温度足够高时也可自发，因此ΔH<0并非必要条件，A错误； B．ΔS为正值仅表明熵增，但若ΔH过大且温度不足，ΔH-TΔS可能仍为正，反应无法自发，B错误； C．熵变取决于物质状态变化而非单纯物质的量，例如生成固体或液体可能使熵减，C错误； D．CaCO3(s)分解生成气体CO2(g)，气体熵增显著，体系混乱度增加，ΔS>0，D正确； 故选D。 【变式4-2】 下列对化学反应预测正确的是 选项 化学反应方程式 已知条件 预测 A M(s)=X(g)＋Y(s) ΔH>0 它是非自发反应 B W(s)＋xG(g)=2Q(g) ΔH<0，自发反应 x可能等于1、2、3 C 4X(g)＋5Y(g)=4W(g)＋6G(g) 能自发反应 ΔH一定小于0 D 4M(s)＋N(g)＋2W(l)=4Q(s) 常温下，自发进行 ΔH>0 【答案】B 【解析】A．反应中气体分子数增大，则ΔS＞0，又因ΔH＞0，则反应高温自发，A错误； B．反应ΔH＜0，且能自发进行，则可能ΔS＞0、ΔS＝0或ΔS＜0，反应中气体分子数可能增大、不变或减小，B正确； C．反应中气体分子数增大，ΔS＞0，又反应能自发，则ΔH＞0、ΔH＝0或ΔH＜0都有可能，C错误； D．反应中气体分子数减小，ΔS＜0，又常温自发，则必有ΔH＜0，D错误； 故选B。 【变式4-3】下列说法正确的是 A．反应N2+3H22NH3的△H<0，△S>0 B．反应2CO(g)+2NO(g)=N2(g)+2CO2(g) △H>0在常温下能自发进行 C．反应2Mg(s)+CO2(g)=C(s)+2MgO(s)的△H<0，则该反应能在高温自发进行 D．反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)常温下不能自发进行，则该反应的△H>0 【答案】D 【分析】ΔH－TΔS<0反应能够自发进行； 【详解】A．反应为放热的熵减反应，则△H<0，△S<0，A错误； B．反应为吸热的熵减反应，不能自发进行，B错误； C．反应为放热的熵减反应，则反应能在低温自发进行，C错误； D．ΔH－TΔS<0反应能够自发进行，该反应为熵增反应，常温下不能自发进行，则该反应为吸热反应，△H>0，D正确； 故选D。 题型05 复合判据的相关计算 1. 自由能变化 符号为ΔG，单位为kJ·mol－1。 2. 自由能变化与焓变、熵变的关系 ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不仅与焓变、熵变有关，还与温度有关。 【典例5】在一定温度下，利用催化剂将分解为和。已知该反应的ΔH=+90.8kJ/mol，ΔS=198.9J·mol-1·K-1，哪个温度下反应能自发进行 A．30℃ B．90℃ C．140℃ D．200℃ 【答案】D 【解析】若反应自发进行，则需， ，即温度应高于，故答案为：D。 【变式5-1】闪电时空气中的N2和O2会发生反应：N2(g)＋2O2(g)===2NO2(g)　ΔH＝180.50 kJ·mol－1，ΔS＝247.3 J·mol－1·K－1，若不考虑温度对该反应焓变的影响，则下列说法中正确的是(　　) A．在1 000 ℃时，此反应能自发进行 B．在1 000 ℃时，此反应不能自发进行 C．该反应能自发进行的最低温度约为730 ℃ D．该反应能自发进行的最高温度约为730 K 【答案】A 【解析】ΔH＝180.50 kJ·mol－1，ΔS＝247.3 J·mol－1·K－1，当ΔH－TΔS＝0时，T＝≈730 K，即温度高于730 K时，ΔH－TΔS＜0，反应能够自发进行，注意0℃时是273 K，A、1 000 ℃是1 273 K，在此温度下反应能够自发进行，故A正确，B错误；C、730 ℃为1 003 K，该反应能自发进行的最低温度约为730 K，故C错误；D、该反应能自发进行的最低温度约为730 K，故D错误。 【变式5-2】已知2CO(g)CO2(g)+C(s)，T＝980K时，ΔH－TΔS＝0。当体系温度低于980K时，估计ΔH－TΔS的正负符号为________ __；当体系温度高于980K时，ΔH－TΔS的正负符号为__________。在冶金工业中，以C作为还原剂，温度高于980K时的氧化产物是以__________为主，低于980K时以__________为主。 【答案】负；正；CO；CO2 【解析】由2CO(g) ⇌CO2(g)+C(s)可知ΔS＜0，T＝980K时，ΔH－TΔS＝0，故ΔH＜0；当T＜980K时，ΔH－TΔS＜0。以C作还原剂，T＞980K时，2CO(g) ⇌CO2(g)+C(s)逆反应自发进行，氧化产物以CO为主；T＜980K时，2CO(g) ⇌CO2(g)+C(s)正反应自发进行，氧化产物以CO2为主。 【变式5-3】已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个裂解反应： ① CH4(g)→C(s)+2H2(g)，②2CH4(g)→C2H2(g)+3H2(g)。 某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到如下热力学数据： ①反应的ΔH(298 K) = +74.848 kJ/mol，ΔS(298 K) = +80.674 J/(mol·K) ②反应的ΔH(298 K) = +376.426 kJ/mol，ΔS(298 K) = +220.211 J/(mol·K) 已知焓变和熵变随温度变化很小。请帮助这位同学考虑如下问题： (1)反应①属于 (填“高温”或“低温”)自发反应。 (2)判断反应①自发进行是由 (填“焓变”或“熵变”)决定的。 (3)通过计算判断反应①在常温下能否自发进行。 。 (4)求算制取炭黑的允许温度范围： 。 (5)为了提高甲烷的炭化程度，你认为下面四个温度中最合适的是 (填字母)。 A．905.2 K B．927 K C．1 273 K D．2 000 K 【答案】(1)高温 (2)熵变 (3)ΔH – TΔS = 74.848 kJ/mol - 80.674×10-3 kJ/(mol·K) × 298 K ≈ 50.807 kJ/mol > 0，所以反应①在常温下不能自发进行 (4)927.8~1 709.4 K (5)C 【分析】ΔG=ΔH-TΔS<0，反应可以自发进行，以此解题。 (1)由于用天然气制取炭黑的反应是一个吸热、熵增的反应，只有在高温下才会有ΔH-TΔS<0，反应正向自发进行，所以反应①在高温时能自发进行； (2)因为反应①吸热，不利于反应的自发进行；而熵增有利于反应的自发进行，所以反应①能否自发进行由熵变决定； (3)ΔH – TΔS = 74.848 kJ/mol - 80.674×10-3 kJ/(mol·K) × 298 K ≈ 50.807 kJ/mol > 0，所以反应①在常温下不能自发进行； (4)天然气裂解为炭黑时，ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>927.8 K，即天然气裂解为炭黑的最低温度为927.8 K。天然气裂解为乙炔时，ΔH-TΔS=376.426 kJ/mol-220.211×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>1 709.4 K，即温度高于1 709.4 K时天然气会自发裂解为乙炔和氢气。所以要制取炭黑，温度需控制在927.8~1 709.4 K之间； (5)根据上一问中计算出的温度范围，可知C项符合题意。 题型06 温度对反应方向的影响 温度对反应方向的影响： 【典例6】已知“凡气体分子总数增加的反应都是熵增大的反应”。下列反应在任何温度下都不自发进行的是 A．2O3(g)=3O2(g)　H<0 B．2CO(g)=2C(s)+O2(g)　H>0 C．N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)　H<0 D．CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)　H>0 【答案】B 【解析】A．该反应的H<0，根据方程式可知S>0，则根据G=H-T•S可知，任何温度下都能满足H-T•S<0，反应可自发进行，A错误； B．该反应的H>0，根据方程式可知S<0，任何温度下都满足G=H-T•S>0，反应不能自发进行，B错误； C．该反应的H<0，根据方程式可知S<0，则在较低温度下，可满足H-T•S<0，反应可自发进行，C错误； D．该反应的H>0，根据方程式可知S>0，所以在较高温度下，可满足H-T•S<0，反应可自发进行，D错误； 故选B。 【变式6-1】 某反应2AB(g) = C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为(　　) A．ΔH＜0、ΔS＞0 B．ΔH＜0、ΔS＜0 C．ΔH＞0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＜0 【答案】C 【解析】由ΔG＝ΔH－TΔS＜0能自发知，高温自发，低温不自发的为ΔH＞0、ΔS＞0。 【变式6-2】甲醇与在有水条件下生成硫酸氢甲酯的反应部分历程如图所示。，其中粒子间的静电作用力用“…”表示。下列说法正确的是 A．该反应在低温下较易自发进行 B．反应历程中最大能垒(活化能)为 C．水合分子比水合分子更稳定 D．水的参与降低了该反应的焓变 【答案】A 【解析】A．根据图示可知，该反应为放热反应，△H<0，气体分子数减小，△S<0，由△G=△H-T△S<0可知，在低温下较易自发进行，A正确； B．根据图示可知反应历程中最大能垒(活化能)为3.66eV-(-2.9eV)=6.62eV，B错误； C．物质含有的能量越低，物质的稳定性就越强。根据图示可知：水合CH3OH分子的能量比水合SO3分子高，因此水合SO3分子比水合CH3OH分子更稳定，C错误； D．根据图示可知：在反应过程中，水参加反应，但最后又生成了水，因此水是该反应的催化剂，起催化作用，能够降低反应的活化能，但不改变反应的焓变，D错误； 故选A。 【变式6-3】下列说法不正确的是 A．反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)在高温时才能自发进行，说明该反应熵变ΔS＞0 B．常温下，若反应A(s)+B(g)C(g)+D(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0 C．反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)常温下能自发进行，则该反应的ΔH＞0 D．CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)  ΔH＞0，高温能自发进行 【答案】C 【解析】A．化学反应自发进行说明∆G=∆H−T∆S<0，高温时该反应能自发进行，说明高温时∆G<0，则∆S>0，A项正确； B．反应不能自发进行，说明：∆H−T∆S>0，该反应是一个气体体积增大的反应，所以∆S>0，要使∆H−T∆S>0，则∆H一定大于0，B项正确； C．反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)的∆S＜0，常温下该反应能自发进行，则∆G=∆H−T∆S＜0，该反应∆H＜0，C错误； D．该反应ΔH＞0，∆S>0，∆H−T∆S<0时反应才可以自发进行，故需高温条件，反应才可自发进行，D正确。 故选C。 题型07 合成氨工业 1．合成氨反应的特点 合成氨反应 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1 自发性 常温(298 K)下，ΔH－TΔS＜0，能自发进行 可逆性 反应为可逆反应 焓变 ΔH＜0，是放热反应 体积变化(熵变) ΔS＜0，正反应是气体体积缩小的反应 2．浓度、温度、压强、催化剂对反应速率和氨的含量的影响 根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。 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反应速率 增大反应物浓度 升高温度 增大压强 使用 提高平衡混合物中中氨的含量 增大反应物浓度， 降低生成物浓度 降低温度 增大压强 无影响 3．数据分析 在不同温度和压强下(初始时N2和H2的体积比为1∶3)，平衡混合物中氨的含量实验数据分析，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。二者在温度这一措施上是不一致的。 4．工业合成氨的适宜条件 压强 原理分析 ①增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向向移动，压强越大越好 ②压强越大，对设备的要求越高，压缩H2和N2所需的动力越大，会增加生产投资，并可能降低综合经济效益 选用条件 目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa 温度 原理分析 ①降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量 ②温度越低，反应速率越小，达到平衡所需时间越长，故温度不宜过低 ③催化剂的活性在一定温度下下最大 选用条件 目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃(此温度下催化剂的活性最大) 催化剂 原理分析 即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。 使用催化剂在较低温度时能较快进行反应 选用条件 通常采用加入以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒 (为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化) 浓度 原理分析 在500 ℃和30 MPa时，平衡混合物中NH3的体积分数及平衡时N2和H2的转化率仍较低 采取措施 采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去 将NH3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(既提高了原料的利用率，又提高了反应速率，有利于合成氨反应) 5．合成氨的工艺流程 （1）造气：原料气中氮气来自空气，从空气中获得氮气通常有两种方法:一是将空气液化、蒸发，分离出氮气；二是将空气中的氧气跟碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳，即得到氮气。而氢气则用水、煤、天然气、石油等为原料制得。如以天然气为原料制取氢气，反应可简单表示为： （2）净化：在制取原料气的过程中，常混有一些杂质气体，其中如 H2S、CO 等杂质会使合成氨所用的催化剂中毒，所以必须除去。 （3）合成：净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，加压后的H2、N2，需加热到催化剂的活性温度后才能进入氨合成塔中的催化区，在催化剂表面反应生成氨。从合成塔出来的混合气体中氨含量为10%~ 20%，需要将产品氨与未反应的H2、N2分离，将未反应的 H2、N2作为循环气再返回合成塔。合成氨反应为放热反应，可通过热交换器有效利用此反应热来预热反应前的H2、N2，降低合成氨的成本。 未来：研制在更低温度和压强下具有更高活性的催化剂。 【典例6】已知合成氨反应，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的方法是 ①减压；②加压；③升温；④降温；⑤及时从平衡混合气中分离出；⑥补充或⑦加催化剂； A．③④⑤⑦ B．②④⑥ C．仅②⑥ D．②③⑥⑦ 【答案】C 【分析】合成氨反应，该反应的特点为：正反应放热且气体分子数减小；据此分析。 【解析】①减压，反应速率减慢，平衡逆向移动，的产率减小，①不可采取；②加压，反应速率加快，平衡正向移动，的产率增大，②可采取；③升温，反应速率加快，平衡逆向移动，的产率减小，③不可采取；④降温，反应速率减慢，平衡正向移动，的产率增大，④不可采取；⑤及时从平衡混合气中分离出，反应速率减慢，平衡正向移动，的产率增大，⑤不可采取；⑥补充N2或H2，反应速率加快，平衡正向移动，的产率增大，⑥可采取；⑦加催化剂，反应速率加快，但平衡不移动，的产率不变，⑦不可采取；故选②⑥；故选C。 【变式6-1】 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。 【变式6-2】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下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 【答案】D 【解析】A．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，A正确； B．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，B正确； C．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，C正确； D．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，D错误； 故选D。 【变式6-3】氮是地球上含量丰富的一种元素，氮及其化合物在工农业生产、生活中有着重要作用，合成氨工业在国民生产中有重要意义。以下是关于合成氨的有关问题，请回答： （1）在容积为2L的恒温密闭容器中加入0.1mol的N2和0.3mol的H2在一定条件下发生反应：N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0，在5分钟时反应恰好达到平衡，此时测得NH3的物质的量为0.1mol。这段时间内用H2表示的反应速率为v(H2)=____。 （2）平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有____。(答一条即可) （3）下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态的依据是____(填序号字母)。 A．容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2 B．v(H2)正=3v(N2)逆 C．混合气体的密度保持不变 D．容器内压强保持不变 （4）已知合成氨反应N2+3H2⇌2NH3在400℃时的平衡常数K=0.5(mol/L)-2。在400℃时，测得某时刻c(N2)=2mol/L、c(H2)=2mol/L、c(NH3)=3mol/L，此时刻该反应的v正____v逆(填“>”“=”或“<”)。 （5）如图表示在恒压密闭容器中，不同温度下，达到平衡时NH3的体积百分数与投料比[]的关系。 由此判断KA、KB、KC的大小关系为：____。 【答案】（1）0.015mol·L-1·min-1 （2）加压；通入氮气或氢气 （3）BD （4）< （5）KA=KB>KC 【解析】（1）这段时间内用NH3表示的反应速率v(NH3)==0.01mol/(L∙min)，同一反应用不同物质表示的化学反应速率之比等于化学计量数之比，则v(H2)= v(NH3)= 0.015mol/(L∙min)；答案为：0.015mol/(L∙min)。 （2）合成氨的反应为N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)   ∆H<0，若要提高反应速率，可采取的措施有：增大反应物N2或H2的浓度、增大压强、升高温度、使用合适的催化剂；该反应的正反应是气体分子数减小的放热反应，若要增大NH3的产率，可采取的措施有：增大反应物N2或H2的浓度、增大压强、降低温度；故平衡后，若要再提高反应速率，且增大NH3的产率，可以采取的措施有：加压、通入N2或H2；答案为：加压；通入氮气或氢气。 （3）A．达到平衡时各组分的浓度保持不变，但不一定等于化学计量数之比，故容器内N2、H2、NH3的物质的量浓度之比为1：3：2时反应不一定达到平衡状态，A不选； B．v(H2)正=3v(N2)逆时正、逆反应速率相等，是反应达到平衡状态的本质标志，B选； C．合成氨的反应中所有物质都为气态，容器内气体的总质量始终不变，容器的容积始终不变，混合气体的密度始终不变，故混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡状态，C不选； D．该反应的正反应是气体分子数减小的反应，建立平衡的过程中气体分子物质的量变化，容器内压强变化，故容器内压强保持不变说明反应达到平衡状态，D选； 答案选BD。 （4）此时刻Qc===0.5625(mol/L)-2> K=0.5(mol/L)-2，反应逆向进行，故此时刻该反应的v正<v逆；答案为：<。 （5）影响化学平衡常数的外界因素为温度，A、B两点所处温度相同，故KA=KB；根据图像可知，相同时，平衡时T2条件下NH3%>T1条件下NH3%，该反应的正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，NH3%减小，化学平衡常数K减小，故T2<T1、K（T2）>K（T1）；故KA、KB、KC的大小关系为KA=KB>KC；答案为：KA=KB>KC。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$