2021年高考化学一轮复习讲义 第7章 专题突破26　化学反应原理在物质制备中的调控作用

专题突破26　化学反应原理在物质制备中的调控作用

1．化学反应方向的判定

(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

熵是衡量一个体系混乱度的物理量。用符号S表示。同一条件下，不同物质有不同的熵值，同一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

熵变是反应前后体系熵的变化，用ΔS表示，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，反应达到平衡状态；

ΔG>0时，反应不能自发进行。

2．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。

3．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

①反应原理：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。

②

③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：10～30 MPa

c．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

1．据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇(CH3CH2OH)已成为现实：

2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)

下列叙述错误的是(　　)

A．使用Cu—Zn—Fe催化剂可大大提高生产效率

B．升高温度，该反应平衡常数K一定增大

C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率

D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O，可提高CO2和H2的利用率

答案　B

解析　因催化剂能提高化学反应速率，加快反应进行，则在一定时间内提高了生产效率，故A正确；反应需在300 ℃进行是为了获得较快的反应速率，不能说明反应是吸热还是放热，所以K不一定增大，故B错误；充入大量CO2气体，能使平衡正向移动，提高H2的转化率，故C正确；从平衡混合物中及时分离出产物，使平衡正向移动，可提高CO2和H2的转化率，故D正确。

2．(2020·武汉高三模拟)化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。

(1)利用“化学蒸气转移法”制备TaS2晶体，发生如下反应：

TaS2(s)＋2I2(g)TaI4(g)＋S2(g)　ΔH＞0(Ⅰ)

如下图所示，反应(Ⅰ)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________(填“＞”“＜”或“＝”)T2。上述反应体系中循环使用的物质是________。

(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如下图所示。该反应ΔH________(填“＞”或“＜”)0。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是_______________________。

答案　(1)＜　I2

(2)＜　在1.3×104 kPa下，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

解析　(1)由题意知，未提纯的TaS2粉末变成纯净TaS2晶体，要经过两步转化：①TaS2＋2I2===TaI4＋S2，②TaI4＋S2===TaS2＋2I2，即反应(Ⅰ)先在温度T2端正向进行，后在温度T1端逆向进行，反应(Ⅰ)的ΔH大于0，因此温度T1小于T2，该过程中循环使用的物质是I2。(2)从图像来看，随着温度的升高，CO的转化率变小，则ΔH＜0，综合温度、压强对CO转化率的影响来看，在题给压强下，CO的转化率已经很大，不必再增大压强。

3．苯乙烯()是生产各种塑料的重要单体，可通过乙苯催化脱氢制得：==CH2(g)＋H2(g)　ΔH＝＋123.5 kJ·mol－1。工业上，通常在乙苯(EB)蒸气中掺混N2(原料气中乙苯和N2的物质的量之比为1∶10，N2不参与反应)，控制反应温度为600 ℃，并保持体系总压为0.1 MPa不变的条件下进行反应。在不同反应温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图为

(1)A、B两点对应的正反应速率较大的是________。

(2)掺入N2能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实

________________________________________________________________________。

(3)用平衡分压代替平衡浓度计算600 ℃时的平衡常数Kp＝________。(保留两位有效数字，分压＝总压×物质的量分数)

(4)控制反应温度为600 ℃的理由是_________________________________________。

答案　(1)B　(2)正反应方向气体分子数增加，加入氮气稀释，相当于减压　(3)0.019　(4)600 ℃时，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降。高温还可能使催化剂失活，且能耗大

解析　(1)由图可知，A、B两点对应的温度和压强都相同，A点是乙苯和氮气的混合气体，B点是纯乙苯，则B点乙苯浓度大于A点，浓度越大反应速率越大，则正反应速率B点大于A点。(2)该反应正反应气体分子数增加，加入氮气稀释，相当于减压，减小压强，化学平衡正向移动，乙苯的转化率增大。(3)由图可知，反应温度为600 ℃，并保持体系总压为0.1 MPa时，乙苯转化率为40%，设乙苯起始物质的量为1 mol，则依据题意可建立如下三段式：

==CH2(g)＋H2(g)

起始量/mol　1　　　　　　  0　　　　　　　　　0

变化量/mol　0.4　　　　　　0.4　　　　　　　　 0.4

平衡量/mol　0.6　　　　　　0.4　　　　　　　　 0.4

平衡时总物质的量为1.4 mol，乙苯的平衡分压为×0.1 MPa，苯乙烯和氢气的平衡分压为×0.1 MPa，则600 ℃时的平衡常数Kp＝≈0.019。