2.3化学反应的方向与调控 课件-2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

2.3 化学反应的方向 你是否发现，生活中和自然界中，有许多自然而然就发生的事情？ 高山流水 墨水扩散 自发过程 1. 自发过程 在一定条件(T、P)下，不需要外力作用就能自动进行的过程。 特点： 高能量→低能量（放热） 有序→无序（熵增） 2. 非自发过程 在一定条件(T、P)下，需要持续借助外力作用才能进行的过程。 条件变了，自发可能变成非自发，非自发也可能变成自发。 非自发不代表不能发生，只是需要借助外力。 光照、通电、超声波、射线 【思考】观察下列能够自发进行的化学反应，它们的共同特征是什么？ C3H8(g) + 5O2(g) = 3CO2(g) + 4H2O(l) △H = -2217.5kJ·mol-1 自发反应 2Na(s) + Cl2(g) = 2NaCl(s) △H = -822 kJ·mol-1 2H2O(l) = 2H2(g) +O2(g) △H= +484 kJ·mol-1 自发反应 非自发反应 4Fe(s) + 3O2(g) = Fe2O3(s) △H= -1648.4 kJ·mol-1 自发反应 Cu(s) + H2SO4(aq) = CuSO4(aq) + H2(g) △H = +1341 kJ·mol-1 非自发反应 自发的化学反应的共同点——放热反应 反应自发性的判断依据 △H＜0焓减有利于反应自发进行，但不是唯一的影响因素。 反应自发性的判断依据——熵判据 1. 熵 用来描述体系混乱(无序)程度的物理量 符号：S 单位：J·mol-1·K-1 体系混乱度越大，熵值越大；体系混乱度越小，熵值越小 2. 熵的影响因素 ①物质的种类：同一条件下，不同物质的组成和结构越复杂、物质种类越多 → 熵值越大 ②物质的状态：对于同一物质，物质的量相等时，其熵值大小的关系为 S(g) >> S(l) > S(s) ③物质的量：同一状态的同一物质，熵值还与物质的量成正比 物质的量越大 → 粒子数越多 → 熵值越大 反应自发性的判断依据——熵判据 3. 熵变 发生化学反应时，物质熵的变化成为熵变，符号为ΔS △S = S产物－ S反应物 △S ＞0 熵增， 说明混乱度增大 △S ＜0 熵减 说明混乱度减小 4. 熵增原理——熵判据 在与外界隔离的体系中，体系有自发向混乱度增加的方向变化的倾向，即：体系趋向于从有序状态转变为无序状态。 ΔS>0，有利于反应自发进行，ΔS越大，越有利于反应自发进行 课堂练习 【课本】P45 2. 在下列的变化中，体系的熵将发生怎样的变化？ (1)冰熔化 (2)水蒸气冷凝 (3)蔗糖在水中的溶解 (4)HCl(g) + NH3(g)== NH4Cl(s) △S ＞0 △S ＜0 △S ＞0 △S ＜0 【思考】是否所有自发反应都是熵增的呢？ Fe(OH)2(s) + O2(g) + H2O (l) ＝ Fe(OH)3(s) 2NO (g) + 2CO (g) ＝ N2 (g) + 2CO2 (g) 　 有些 熵减的过程 也可自发进行 △S>0熵增有利于反应自发进行，但不是唯一的影响因素。 反应自发性的复合判据 1876年，吉布斯提出自由能变化 ΔG，并认为化学反应总是向着自由能减小( ΔG < 0)的方向进行，直至达到平衡。 1.吉布斯自由能变化 符号：ΔG，单位：kJ·mol－1 ΔG = ΔH － TΔS 2.反应进行方向的判断 ①当ΔG＜0时 ②当ΔG＝0时 ③当ΔG＞0时 反应能自发正向进行 反应处于平衡状态 反应不能自发正向进行 注：T为热力学温度，单位K； T = t + 273.15；(t为摄氏度，单位℃)，T 不为负数 反应自发性的复合判据 情况 焓变 熵变 自由能变化 反应能否自发进行 ① ΔH＜0 ΔS＞0 ② ΔH＞0 ΔS＜0 ③ ΔH＜0 ΔS＜0 ④ ΔH＞0 ΔS＞0 ΔG = ΔH - TΔS 3.反应进行方向与温度的关系 ΔG＜0 能 ΔG＞0 不能 低温ΔG＞0，高温ΔG＜0 低温自发，高温不自发 低温不自发，高温自发 低温ΔG＜0，高温ΔG＞0 负负低温自发、正正高温自发 课堂练习 【课本】P45 3. 水凝结成冰的过程中，其焓变和熵变正确的是（ ） A. △H ＞0 ，△S ＜0 B. △H ＜ 0 ，△S ＞0 C. △H ＞ 0 ，△S ＞0 D. △H ＜ 0 ，△S ＜0 4. 下列说法中，正确的是（ ） A. 冰在室温下自动融化成水，这是熵增过程 B. 能够自发进行的反应一定是放热反应 C. △H ＜ 0的反应均是自发进行的反应 D. 能够自发进行的反应一定是熵增的过程 D A 下列反应在任意温度下一定能自发进行的是( )。 D A. B. C. D. 课堂练习 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 10 2.4 化学反应的调控 生活有许多人类对化学反应的调控示例： 降温以此延长储存时间 降低温度以此灭火 刷油漆以此防锈 实际对化学反应的调控在工业上的应用更为广泛 化工生产中，对化学反应的调控，应该注意哪些问题呢? 【思考】如果将合成氨原理投入化工生产，要考虑哪些？ 方向：能否自发 限度：平衡时的产率 速率：单位时间的产量 实际：成本、设备、安全、环保 理论分析合成氨的反应条件 1. 合成氨的反应特点 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (4)自发性： (1)可逆性： (2)熵变： (3)焓变： 较低温度下（常温），ΔH－TΔS<0，能自发进行 反应为可逆反应 ΔS<0，正反应是气体体积缩小的反应 ΔH<0，是放热反应 原料来源 N2: 空气中分离（液化，蒸发） H2: 煤、焦炭与水蒸气 C+H2O(g)=CO+H2 理论分析合成氨的反应条件 2. 合成氨的原理分析 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 提高平衡混合物中氨的含量 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 【思考】根据合成氨反应的特点，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？ c(反)增大 升高 增大 使用催化剂 降低 无影响 c(反)增大 或c(生)减小 增大 ΔH<0 理论分析合成氨的反应条件 3. 合成氨的数据分析 在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况 (初始时氮气和氢气的体积比是1：3)。 温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10MPa 20MPa 30MPa 60MPa 100MPa 200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8 300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 600 0.05 4.50 9.1 13.8 23.1 31.4 压强越大，NH3%越大 温度越低，NH3%越大。 实际生成中到底选择哪些适宜的条件呢？ 合成氨工艺条件的选择 1. 压强 400℃下平衡时氨的体积分数随压强的变化示意图 压强/MPa NH3的体积分数/% 80 60 40 20 40 60 80 100 20 0 【思考】为什么反应条件是高压？ （1）原理分析： 增大压强，平衡正向移动，氨的含量增大。 （2）实际分析： 压强过大 ， 对设备材质要求高，生产成本大幅增加。 （3）综合考虑平衡转化率和生产成本， 选择 10~30 MPa N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 合成氨工艺条件的选择 2. 温度 90 200 温度／℃ 400 300 600 500 80 70 60 40 30 50 20 10 0 10 MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图 NH3的体积分数/% 【思考】为什么条件是高温？ （1）原理分析： 反应放热，降温，平衡正向移动。 （2）实际分析： 温度过低：速率慢，耗时长；催化剂活性低。 温度过高：平衡逆移，氨含量低；催化剂易失活。 （3）结论： 综合考虑平衡转化率、反应速率、催化剂活性，选择 400~500 ℃。 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0 合成氨工艺条件的选择 3.催化剂 ①原理分析： 使用催化剂能改变反应历程，降低反应活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应 目前合成氨工业中普遍使用的是铁触媒 ②实际分析： 铁触媒在500℃左右时活性最大， 这也是合成氨一般选择 400 ~500 ℃进行的重要原因 铁触媒 【注意】需防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化 合成氨工艺条件的选择 在500℃、30MPa条件下，氨的平衡体积分数只有26.4% 即平衡时N2和H2转化率不够高 在实际生产中， 还要考虑浓度 对化学平衡的影响 合成氨工艺条件的选择 4.浓度 浓度调控的两个思路 1. 投料比 理论：N₂ : H₂ = 1 : 3 按化学计量数投料，平衡时NH₃含量最高 实际：N₂ : H₂ = 1 : 2.8 适当增加N₂，提高贵的H₂的转化率 2. 分离产物，使平衡正移 迅速冷却，使NH₃液化并分离出去 未反应的N₂、H₂循环使用，提高能源利用率，并及时补充原料 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 合成氨工艺条件的选择 【总结】 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ/mol 压强：10 MPa~ 30 MPa 温度：400~500℃ 催化剂：铁触媒 浓度：及时分离氨、原料气循环使用。 【思考】催化剂是否可以提高氨气的产率？ 不能，催化剂只是降低活化能，加快反应速率。 合成氨工艺条件的选择 N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH＝－92.2 kJ/mol 【练习】（1）净化除CO、H₂S的目的是？ 防催化剂中毒。 （2）压缩到20~50MPa的目的是？ 加压使平衡正移，提高产率。 （3）合成塔用铁触媒、400~500℃的目的是？ 铁触媒加快速率；400~500℃时速率较快且催化剂活性最大。 （4）冷凝分离液氨的目的是？ 减小生成物浓度，平衡正移，提高产率。 （5）未反应气循环的目的是？ 提高原料利用率，降低成本。 （6）温度越高产率越高吗？ 错。该反应放热，升温平衡逆移，产率降低。 课堂练习 【课本】P51 1. 合成氨工业中采用循环操作，主要是为了（ ） A.增大化学反应速率 B.提高平衡混合物中氨的含量 C.降低氨的沸点 D. 提高氮气和氢气的利用率 2. 在密闭容器中，通入a molN2和b molH2，在一定条件下反应达到平衡时，容器剩余c molN2。 (1)达到平衡时，生成NH3的物质的量为_______________ (2)达到平衡时，H2的转化率为_______________ (3)若把容器的容积减小到原来的1/2，则正反应速率_________(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，逆反应速率_________，N2的转化率_________ D 2(a-c)mol 3(a-c) b ×100% 增大 增大 增大 课堂练习 【课本】P51 3.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3， 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Δ H ＝﹣199.6 kJ/mol。 下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。 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 (1)从理论上分析，使SO2尽可能多、尽可能快地转化为SO3，应选择的条件是________________ 低温、高压 (2)在实际生产中，选定450 ℃，其原因是__________________________ _______________________________________________________________ 温度较高，反应物转化率降低；此温度下催化剂的活性最高。 温度较低，反应速率减小，耗时长； 课堂练习 【课本】P51 3.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3， 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Δ H ＝﹣199.6 kJ/mol。 下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。 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 (3)在实际生产中，采用的压强为常压，其原因是________________ 0.1 MPa(常压)下SO2的转化率已经很高，压强过高对设备的要求更高，增加成本。 课堂练习 【课本】P51 3.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2氧化成SO3， 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Δ H ＝﹣199.6 kJ/mol。 下表列出了在不同温度和压强下，反应达到平衡时SO2的转化率。 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 (4)在实际生产中，通入过量的空气，其原因是______________________ 增大O2浓度，提高SO2的 转化率 (5)尾气中的SO2必须回收，其原因是______________________ SO2有毒，防止污染环境； 提高原料利用率 课堂练习 【课本】P51 4.在合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前需经过铜氨液处理，目的是除去其中的CO，其反应为： [Cu(NH3)2]+ + CO + NH3 [Cu(NH3)3CO]+ Δ H ＜0 (1)铜氨液吸收CO适宜的条件是____________________ (2)吸收CO的铜氨液经过适当处理可再生，恢复其吸收CO的能力，可循环利用。铜氨液再生适宜的生产条件是____________________ 低温、高压 高温、低压 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) Δ H =-41.2kJ/mol (1)在生产中，欲使CO的转化率提高，同时提高 H2 的产率，可采取哪些措施？ 增大H2O浓度、降温 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) Δ H =-41.2kJ/mol (2)在容积不变的密闭容器中，将2.0molCO与8.0molH2O混合加热到830℃发生上述反应，达到平衡时CO的转化率是80%，计算该反应的平衡常数。 【解】设反应容积为1L， 依题可知CO浓度变化量为 2×80%=1.6mol/L CO(g) + H2O(g) ⇌CO2(g) + H2(g) c始/mol·L-1 2 8 0 0 △c/mol·L-1 1.6 1.6 1.6 1.6 c末/mol·L-1 0.4 6.4 1.6 1.6 1.6×1.6 0.4×6.4 K ＝ ＝ 1 课堂练习 【课本】P51 5.氢能是一种极具发展潜力的清洁能源。下列反应是目前大规模制取氢气的方法之一 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) Δ H =-41.2kJ/mol (2)实验发现，在其他条件不变，相同时间内，向上述体系投入一定量的CaO可以增大 H2的平衡体积分数。对比实验的结果如右图所示。 请思考：投入时CaO，H2的体积分数为什么会增大？微米CaO和纳米CaO对平衡的影响为何不同？ CaO与 CO2反应，使平衡正向移动，H2体积分数增大 微米CaO比纳米CaO的比表面积小，吸收CO2略少，导致H2体积分数略小 $