《2023届新教材新高考一轮复习鲁科版第7章第24讲 化学平衡移动 化学反应的方向及工业合成氨学案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023届新教材新高考一轮复习鲁科版第7章第24讲 化学平衡移动 化学反应的方向及工业合成氨学案.docx（25页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第24讲化学平衡移动化学反应的方向及工业合成氨复习目标核心素养1.知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。2通过实验探究，了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。3认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。1.变化观念与平衡思想：知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律；认识化学变化有一定限度，是可以调控的。能多角度、多动态地分析化学反应，运用化学反应原理解决实际问题。2证据推理与模型认知：建立观点、结论和证据之间的逻辑关系知道可以通过分析、推理等方法认识化学平衡的特征及其影
2、响因素，建立模型。能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。3科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能运用化学平衡原理对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。考点一化学平衡移动1概念(1)原因：反应条件改变引起v正v逆。(2)化学平衡移动方向与化学反应速率的关系v正v逆时，平衡向正反应方向移动；v正v逆时，平衡向逆反应方向移动。2影响因素在一定条件下，aA(g)bB(g)mC(g)H0，其他条件不变时，升高温度，反应速率v(CO2)和CO2的平衡转化率均增大。()(4)化学平衡正向移动，反应物的转化率不一定增大。()(5)向平衡体系FeCl33KSCNFe(SCN)3
3、3KCl中加入适量KCl固体，平衡逆向移动，溶液的颜色变浅。()(6)对于2NO2(g)N2O4(g)的平衡体系，压缩体积，增大压强，平衡正向移动，混合气体的颜色变浅。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)典例 一定条件下：2NO2 (g)N2O4 (g)Hv逆时，才使平衡向正反应方向移动。(3)同等程度地改变反应混合物中各物质的浓度时，应视为压强的影响。(4)对于缩小体积增大压强，不管是否移动，各成分的浓度均增大，但增大的倍数可能不同也可能相同。 对点练1(选取措施使化学平衡定向移动)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。已知：C4H10(g)O2(g)=C4H8(g)H2
4、O(g)H1119 kJmol1H2(g)O2(g)=H2O(g)H2242 kJmol1丁烷(C4H10)脱氢制丁烯(C4H8)的热化学方程式为C4H10(g)C4H8(g)H2(g)H3。下列措施一定能提高该反应中丁烯产率的是()A增大压强，升高温度B升高温度，减小压强C降低温度，增大压强D减小压强，降低温度解析：B根据盖斯定律，由可得：C4H10(g)C4H8(g)H2(g)，则H3H1H2(119 kJmol1)(242 kJmol1)123 kJmol1。提高该反应中丁烯的产率，应使平衡正向移动，该反应的正反应为气体分子数增加的吸热反应，可采取的措施是减小压强、升高温度。对点练2(新
5、、旧平衡的比较)将等物质的量的X、Y气体充入某密闭容器中，在一定条件下，发生如下反应并达到平衡：X(g)3Y(g)2Z(g)H”“”或“”)。(2)在上述实验中若压缩体积使压强增大，请在图中画出相应HClT曲线的示意图，并简要说明理由：_。(3)下列措施中，有利于提高HCl的有_。A增大n(HCl)B增大n(O2)C使用更好的催化剂D移去H2O答案：(1)S(l)S(s)。(3)熵变生成物的总熵反应物的总熵。3化学反应方向的判据(1)判据(2)一般规律H0的反应任何温度下都能自发进行；H0，S0的反应任何温度下都不能自发进行；H和S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。当H0
6、，S0，S0时，高温下反应能自发进行。微思考能自发进行的反应一定能实际发生吗？提示：不一定，化学反应进行的方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势，并不能说明在该条件下反应一定能实际发生，还要考虑化学反应的快慢等问题。(1)CaCO3(s)CaO(s)CO2(g)是一个熵增加的过程。()(2)H0的反应，一定是自发反应。()(3)吸热且熵增加的反应，当温度升高时，反应一定能自发进行。()(4)由能量判据和熵判据组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程。()(5)凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的。()(6)10 的水结成冰，可用熵变的判据来解释过程的自发性。()答案：
7、(1)(2)(3)(4)(5)(6)典例(双选)下列内容与结论不对应的是()选项内容结论AH2O(g)变成H2O(l)该过程的S0B硝酸铵溶于水可自发进行因为S0C一个反应的H0、S0该反应一定不能自发进行DH2(g)F2(g)=2HF(g)的H271 kJmol1、S8 Jmol1K1该反应在任何温度下均不能自发进行解析H2O(g)变H2O(l)熵减小，S0，B项正确；H0，S0，反应不能自发进行，C项正确；依据HTS271 kJmol1T8 JmolK10，S0 BH0，S0CH0 DH0，S0解析：D由方程式可知，该反应的S0，由图可知该反应的H0，D项正确。对点练2已知气体分子总数增多
8、的反应一定是熵增大的反应。任何条件下，下列反应不能自发进行的是()A2O3(g)=3O2(g)H0CN2(g)3H2(g)=2NH3(g)H0解析：B满足GHTS0，反应能自发进行。A项H0，反应能自发进行；B项S0，GHTS0，反应不能自发进行；C项S0，H0，H0，高温下反应能自发进行。对点练3灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以用于制造器皿。已知在0 、100 kPa条件下，白锡转化为灰锡的H2.18 kJmol1，S 6.61 Jmol1K1。现把由白锡制成的器皿在0、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能继续使用()A会 B不会C不能确定 D升高温度才会解析
9、：A在0 、100 kPa条件下，白锡转化为灰锡的GHTS 2.18 kJmol1273 K(6.61103 kJmol1K1)0.375 kJmol10，因此在该条件下白锡会变为灰锡。考点三化学反应条件的优化工业合成氨1工业合成氨的条件控制(1)反应原理：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol1(2)根据反应特点可选择的条件增大合成氨反应速率的措施有：升高温度、增大压强、增大N2、H2的浓度和使用催化剂。提高平衡混合气中NH3含量的措施有：降低温度、增大压强和增大反应物浓度。(3)反应条件的控制压强：1030 MPa。压强越大，转化率越大，但对材料、设备的要求高，需要的动
10、力也越大。温度：400500 。温度要适宜，既要保证反应有较快的速率，又要使反应物的转化率不能太低，并且该反应的催化剂在该温度下活性最大。催化剂：使用催化剂可提高反应的速率。浓度：迅速冷却使NH3液化，降低c(NH3)，平衡向右移动。循环操作：将分离出NH3的原料气循环使用，提高原料的利用率。 2化工生产适宜条件选择的一般原则(1)从化学反应速率分析，既不能过快，又不能太慢。(2)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，又要注意二者影响的矛盾性。(3)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。(4)从实际生产能力分析，如设备承受高温
11、、高压能力等。(5)注意催化剂的活性对温度的限制。典例合成氨工业中，原料气(N2、H2及少量CO、NH3的混合气)在进入合成塔前常用醋酸二氨合铜()溶液来吸收原料气中的CO，其反应是Cu(NH3)2AcCONH3Cu(NH3)3AcCOH0()。如图所示，反应()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_T2(填“”“”或“”)。上述反应体系中循环使用的物质是_。答案：I2对点练2“丁烯裂解法”是另一种重要的丙烯生产法，在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下：主反应：3C4H8(g
12、)4C3H6(g)；副反应：C4H8(g)2C2H4(g)。测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数(w)随温度(T)和压强(p)变化的趋势分别如图甲和图乙所示：(1)平衡体系中的C3H6(g)和C2H4(g)的质量比是工业生产C3H6(g)时选择反应条件的重要依据之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，据图甲和图乙判断，反应条件应选择_(填序号)。A300 、0.1 MPa B700 、0.1 MPaC300 、0.5 MPa D700 、0.5 MPa(2)有研究者结合图甲数据并综合考虑各种因素，认为450 的反应温度比300 或700 更合适，从反应原理角度分析其理由可能是_。解析：
13、(1)由图甲可知，300 时C2H4(g)的质量分数接近于0，而温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，故选择300 ；由图乙可知，压强增大，C2H4(g)的质量分数减小，C3H6(g)的质量分数增大，故选0.5 MPa，因此控制反应条件为300 、0.5 MPa。(2)温度越低，反应速率越慢，由图甲可知，300 时反应速率慢；温度升高，C2H4(g)的质量分数增大，700 的副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率。而450 时，C3H6(g)的质量分数达最大值，且C2H4(g)的质量分数在10%左右，产物中C3H6(g)的含量较高，故450 更合适。答案： (1)C(2)300 反应速率慢
14、，700 副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率一、选择合适的化学反应合成甲醇假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应：CO2(g)3H2(g)=CH3OH(g)H2O(g)H48.97 kJmol1S 177.16 Jmol1K1CO2(g)2H2O(g)=CH3OH(g)O2(g)H676.48 kJmol1S43.87 Jmol1K1CO2(g)H2(g)=CO(g)H2O(g)H41.17 kJmol1S42.08 Jmol1K1根据判据HTS判断反应在低温下能正向自发进行；反应在任何情况下都不能自发进行；反应在高温下能正向自发进行。典例1
15、在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)3H2(g) CH3OH(g)H2O(g)H1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)H2(g)CO(g)H2O(g)H2，温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是()AH10B增大压强有利于加快合成反应的速率C生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH的产率D选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生解析根据图像可以看出，温度越高，CO的产率越高，CH3OH的产率越低，可知H10，A正确，C错误；对于气体反应，增大压强都能加快合成反应的速率，B正确；合适的负催化剂可以减弱副反应的发生，D正确。答案C对点练1能源问
16、题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。甲醇是一种可再生能源，具有广泛的开发和应用前景，因此甲醇被称为21世纪最具竞争力的新型清洁燃料之一。工业上用CO生产燃料甲醇，一定条件下发生反应：CO(g)2H2(g)CH3OH(g)。如图表示反应中能量的变化。请回答下列问题：(1)在图中，曲线_(填“a”或“b”)表示使用了催化剂；该反应属于_(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)科学家常用量热剂来直接测定某一反应的反应热，现测得：CH3OH(g)O2(g)CO2(g)2H2O(g)H192.9 kJmol1，又知H2O(l) = H2O(g)H44 kJmol1，请写出32 g的CH3OH(g)完全燃
17、烧生成CO2(g)和液态水的热化学方程式：_。 解析：(1)加入催化剂，可降低反应的活化能，由图像可知曲线b的活化能较低，应加入催化剂；反应物的总能量大于生成物的总能量，所以该反应属于放热反应。(2)CH3OH(g)O2(g)CO2(g)2H2O(g)H192.9 kJmol1H2O(l)=H2O(g)H44 kJmol1，利用盖斯定律将2可得CH3OH(g)O2(g)CO2(g)2H2O(l)H192.9 kJmol144 kJmol12280.9 kJmol1。答案：(1)b放热(2)CH3OH(g)O2(g)CO2(g)2H2O(l)H280.9 kJmol1二、选择适宜的反应条件主反应
18、CO2(g)3H2(g) = CH3OH(g)H2O(g)H148.97 kJmol1副反应CO2(g)H2(g) = CO(g)H2O(g)H241.17 kJmol1。(1)反应物物质的量之比n(H2)n(CO2)：增大比值，甲醇的产率增大。(2)改变温度或压强：同压下，升高温度平衡转化率减小；同温下，增大压强平衡转化率增大。(3)改变催化剂的组成：改变组成影响甲醇的平衡转化率和选择性。结论：综合理论和事实表明，较高的物质的量之比n(H2)n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。典例2(1)已知反应CO(g)2H2(g)CH3OH(g)，在恒容密闭容器中按加入CO和
19、H2合成甲醇，测得起始压强p0102 kPa。CO的平衡转化率(CO)随温度的变化曲线如图所示，R点时反应的平衡常数Kp_(kPa)2(用平衡分压代替平衡浓度计算，p分p总物质的量分数)，R、S两点平衡常数大小：Kp(R)_(填“”“”或“”或“”)。实际生产条件控制在250 、1.3104 kPa左右，选择此压强的理由是_。 解析(1)R点时CO的平衡转化率为0.50，设起始加入的CO为x mol，根据“三段式”分析： CO(g)2H2(g)CH3OH(g)起始/mol x 2x 0转化/mol 0.50x 1.0x 0.50x平衡/mol 0.50x 1.0x 0.50x故平衡时体系的压强
20、为102 kPa68 kPa，R点的平衡常数Kp(kPa)2；不同温度的转化率越大，K越大，故Kp(R)Kp(S)。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，故H(2)在1.3104 kPa时，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，得不偿失对点练2甲醇既是重要的化工原料，又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下：CO(g)2H2(g)CH3OH(g)H1CO2(g)3H2(g)CH3OH(g)H2O(g)H258 kJmol1CO2(g)H2(g)CO(g)H2O(g)H341 kJmol1回答下
21、列问题：(1)反应的化学平衡常数K的表达式为_；图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为_(填曲线标记字母)，其判断理由是_。 (2)合成气组成2.60时，体系中的CO平衡转化率()与温度和压强的关系如图2所示。(CO)值随温度升高而_(填“增大”或“减小”)，其原因是_；图2中的压强由大到小为_，其判断理由是_。 解析：(1)根据化学平衡常数的书写要求可知，反应的化学平衡常数为K。由反应得H1H2H358 kJmol141 kJmol199 kJmol10，所以反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，平衡常数K减小，故曲线a符合要求。(2)由图2可知，压强一定时，CO的平衡转化率随温
22、度的升高而减小，其原因是反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，反应为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，又使产生CO的量增大，而总结果是随温度升高，CO的转化率减小。反应的正反应为气体总分子数减小的反应，温度一定时，增大压强，平衡正向移动，CO的平衡转化率增大，而反应为气体总分子数不变的反应，产生CO的量不受压强的影响，因此增大压强时，CO的转化率提高，故压强p1、p2、p3的关系为p1p2p2p1相同温度下，由于反应为气体分子数减小的反应，加压有利于提升CO的转化率；而反应为气体分子数不变的反应，产生CO的量不受压强影响。故增大压强时，有利于CO的转化率升高一、等效平衡原理 对于同一个可逆反
23、应，在相同的条件下(恒温恒容或恒温恒压)，不管是从正反应开始，还是从逆反应开始，或从正反应和逆反应同时开始，达到平衡时，反应混合物中同种物质的百分含量相同，这样的平衡称为等效平衡。二、等效平衡的分类及判断方法对于反应mA(g)nB(g)pC(g)qD(g)条件mnpq时mnpq时恒温、恒容一边倒后数值完全相同才建立等效(等同)平衡，即“等量等效”一边倒后数值成比例就建立等效平衡，即“等比等效”恒温、恒压一边倒后数值成比例就建立等效平衡，即“等比等效”说明：1“一边倒”(完全转化)指的是把一边“归零”，通过可逆反应的化学计量数比换算成另一边物质的物质的量(浓度)。2等效指的是达到平衡后同种组分百
24、分含量(物质的量分数、质量分数、体积分数)相同。也有可能同种组分的物质的量、质量、体积、物质的量浓度也相同。1解答加料问题 典例1在一个固定体积的密闭容器中，加入2 mol A和1 mol B，发生反应2A(g)B(g)2C(g)，达到平衡时，C的物质的量浓度为k mol/L，若维持容器体积和温度不变，按下列配比作为起始物质：4 mol A2 mol B2 mol A1 mol B2 mol C2 mol C1 mol B2 mol C1 mol A0.5 mol B1 mol C(1)达到平衡后，C的物质的量浓度仍是k mol/L的是_。(2)若令a、b、c分别代表初始加入的A、B、C的物质
25、的量，如果a、b、c取不同的数值，它们必须满足一定的相互关系，才能保证达到平衡时，反应混合物中三种气体的百分含量仍跟上述平衡时完全相同，填写：.若a0，b0，则c_。.若a0.5，则b_，c_。.a、b、c的取值必须满足的一般条件是_；_。(用两个方程式表示，一个只含a、c，另一个只含b、c)解析(1)该反应mnpq且条件为恒温、恒容，所以要满足“等量等效”。将的加料方式全部进行“一边倒”转化为反应物A和B的量后，只有的加料方式与2 mol A和1 mol B的加料方式完全一致。(2)根据“一边倒”的方式进行转化，即a mol Ab mol Bc mol C等价转化为a mol Ab mol
26、B(c mol Ac/2 mol B)。答案(1) (2).2 .0.251.5.ac2 bc/212解答平衡移动方向问题典例2某温度下，在一容积可变的容器中，反应2A(g)B(g)2C(g)达到平衡时，A、B和C的物质的量分别为4 mol、2 mol和4 mol。保持温度和压强不变，对平衡混合物中三者的物质的量做如下调整，可使平衡右移的是()A均减半B均加倍C均增加1 mol D均减少1 mol解析容积可变，说明是恒温、恒压条件，满足“等比等效”。A项，“均减半”后A、B、C的物质的量分别为2 mol、1 mol和2 mol，满足“等比等效”，平衡不会移动；B项，“均加倍”后A、B，C的物质
27、的量分别为8 mol、4 mol和8 mol，满足“等比等效”，平衡不会移动；C项，“均增加1 mol”后A、B、C的物质的量分别为5 mol、3 mol和5 mol；相当于在5 mol、2.5 mol和5 mol的基础上又增加了0.5 mol B，平衡向右移动；D项，“均减小1 mol”后A、B、C的物质的量分别为3 mol、1 mol和3 mol，相当于在3 mol、1.5 mol和3 mol的基础上减少了0.5 mol B，平衡向左移动。答案C3解答方程式计量系数问题典例3在一固定容积的密闭容器中充入3 mol A和1 mol B，发生反应：3A(g)B(g)xC(g)，达到平衡后，C的
28、体积分数为w%。若维持容器体积和温度不变，将0.9 mol A、0.3 mol B和2.1 mol C作为起始物质，达到平衡后，C的体积分数仍为w%，则x值可能为()A1 B2C3 D任意值解析分两种情况分析：(1)当反应前后气体体积不相等，则两种投料方式换算到同一边后各组分应完全相同(即恒温恒容时“等量即等效”)：3A(g)B(g)xC(g)起始量/mol0.9 0.3 2.1等效于/mol0.96.3/x0.32.1/x 0即0.96.3/x3且0.31，解得x3；(2)当反应前后气体体积相等，则两种投料方式换算到同一边后各组分应完全相同(即恒温恒压时“等比即等效”)：3A(g)B(g)4
29、C(g)起始量/mol0.9 0.3 2.1等效于/mol0.96.3/4 0.32.1/4 0即0.96.3/42.475、0.32.1/40.825，2.4750.82531，与起始量的投料比相同，故x4成立。答案C4解答反应物转化率问题典例4在一个固定容积的密闭容器中充入2 mol NO2，一定温度下建立如下平衡：2NO2N2O4，此时NO2的转化率为x%，若再充入1 mol N2O4，在温度不变的情况下，达到新的平衡时，测得NO2的转化率为y%，则x和y的大小关系正确的是()Axy BxyCxy D不能确定解析先建立等效平衡模型，即假设原容器的体积可变，当再充入1 mol N2O4后重
30、新建立起的平衡和原平衡等效，此时NO2的转化率依然为x%。当体积不发生变化时，在原平衡的基础上要缩小容器的体积，即增大了压强，该反应正反应方向为气体体积缩小的方向，平衡向正反应方向移动，NO2的转化率增大，即xy。答案B5解答反应热的问题典例5在恒压密闭容器中发生：A(g)3B(g)2C(g)，若起始投料为0.2 mol A、0.6 mol B时反应放出Q1 kJ的热量；若起始投料为2 mol C时反应吸收Q2 kJ的热量。则该反应的热化学方程式为_。解析该题的条件为恒温恒压，满足“等比等效”。当按照反应物的系数投料时，建立平衡后放出的热量为5Q1 kJ。按照“一边倒”可得当起始投料为2 mo
31、l C时吸收的热量(Q25Q1)就是该条件下1 mol A和3 mol B全部转化为2 mol C时放出的热量。即热化学方程式为A(g)3B(g)2C(g)H(5Q1Q2)kJmol1。答案A(g)3B(g)2C(g) H(5Q1Q2)kJmol16解答容器体积大小问题典例6如图所示，A是由导热材料制成的密闭容器，B是一耐化学腐蚀且易于传热的透明气囊。关闭K2，将各1 mol NO2通过K1、K3分别充入A、B中，反应起始时A、B的体积相同均为a L。若打开K2，平衡后B容器的体积缩至0.4a L，则打开K2之前，气体B体积为_L。解析将NO2充入两个容器中发生2NO2(g)N2O4(g)的反应，打开K2，相当于是在等温等压条件下建立平衡，此时建立起的平衡与未打开K2时B容器建立起的平衡等效。由于此时反应物的物质的量是B中的2倍，所以打开K2之前，气球B的体积为(a L0.4a L)20.7a L。答案0.7a1