1、19 化学反应速率、平衡原理在物质制备中的调控作用化学反应速率、平衡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 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)。 熵变的含义 熵变是反应前后体系熵的变化，用S 表示，化学反应的S 越大，越有利于反应自发进行。 (3)判断化学反应方向的判据 GHTS G0 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
2、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 反
3、应原理：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.4 kJmol 1。 从反应快慢和反应限度两个角度选择反应条件 综合考虑选择适宜的生产条件 a温度：400500 b压强：1030 MPa c投料比：nN2 nH2 1 2.8 d以铁触媒作催化剂 e采用循环操作提高原料利用率 1二氧化碳是一种宝贵的碳氧资源。以 CO2和 NH3为原料合成尿素是固定和利用 CO2的成功范例。 在尿素合成塔中的主要反应可表示如下： 反应：2NH3(g)CO2(g)NH2COONH4(s)H1159.47 kJmol 1 反应：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)H2O(g)H272.49 kJmol
4、1 请回答下列问题： (1)写出 CO2和 NH3为原料生成尿素和气态水的热化学方程式：_，反应自 发进行的条件是_。 (2)CO2和 NH3为原料合成尿素的反应中影响 CO2转化率的因素很多， 图 1 为某特定条件下， 不同水碳 比nH2O nCO2和温度影响 CO 2转化率变化的趋势曲线。 下列说法不正确的是_(填字母)。 A温度升高该反应平衡常数逐渐减小，移走部分尿素平衡向正方向移动 B当温度低于 190 ，随温度升高 CO2转化率逐渐增大，其原因可能是温度升高平衡向正方向移动 C当温度高于 190 后，随温度升高 CO2转化率逐渐减小，其原因可能是温度升高发生了副反应 D其他条件相同时
5、，为提高 CO2的转化率，生产中可以采取的措施是提高水碳比 (3)某研究小组为探究反应中影响 c(CO2)的因素， 在恒温下将 0.4 mol NH3和 0.2 mol CO2放入容积为 2 L 的密闭容器中，t1时达到平衡，其 c(CO2)随时间 t 变化趋势曲线如下图 2 所示。则其逆反应的平衡常数 为_。 答 案(1)2NH3(g) CO2(g)CO(NH2)2(s) H2O(g)H 86.98 kJmol 1 高 温(2)ABD (3)6.2510 5 解析(1)反应：2NH3(g)CO2(g)NH2COONH4(s)H1159.47 kJmol 1，反应： NH2COONH4(s)C
6、O(NH2)2(s)H2O(g)H272.49 kJmol 1 ，由盖斯定律：反应反应，得到 2NH3(g) CO2(g)CO(NH2)2(s) H2O(g)H3 86.98kJmol 1 ； 反 应 ： NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)H2O(g)H272.49 kJmol 1的 H0，S0，要使得GH TS0，则 T 需要较大，即该反应为高温自发。 (2)合成尿素的反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，平衡常数逐渐减小，尿素为固体，移走部 分尿素平衡不移动，故 A 错误；温度越高，发生副反应的可能性越高，会导致二氧化碳转化率减小，故 C 正确；根据图像，水碳比越高，二氧化碳
7、的转化率越低，故 D 错误。 (3)在恒温下将 0.4 mol NH3和 0.2 mol CO2放入容积为 2 L 的密闭容器中，达到平衡时， 2NH3(g)CO2(g)NH2COONH4(s) 起始量/molL 1 0.20.10 变化量/molL 1 0.150.075 平衡量/molL 1 0.050.025 逆反应的平衡常数 Kc 2NH3cCO2 1 0.0520.0256.2510 5。 2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
8、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_ _。 (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： iCO2(g) C(s)=2CO (g)H1 ii.C(s)H2O(g)=CO(g)H2(g)H2 iii.C(s)2H2(g)=CH4(g)H3 iv.CO(g)H2O(g)=CO2(g)H2(g)H4 vCH4(g)2H2O(g)=CO2(g)4H2(g)H5 H5_(用含H1、H2、H3或H4的式子表示)。 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.
9、1 g/(ming)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： n(Ca)/n (C) 气体体积分数 碳转化 率/%H2 C O CO2 C H4 0 45 .58 22 .70 22.37 7 .54 61.22 0.5 52 .95 21 .74 19.11 5 .14 56.59 1.0 58 .62 22 .37 12.60 5 .31 61.42 由表中数据，nCa nC _时最为合理。nCa nC 由 0 到 0.5 时，H2的体积分数显著增加的原因： _。 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
10、解 反应也有很大影响。实验过程中，控制nCa nC 为 1.0，水蒸气流量为 0.1 g/(ming)，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： 温度 / 气体体积分数 碳转化 率/%H2CO C O2 700 51 .78 20.75 19 .89 54.37 750 58 .62 22.37 12 .60 61.42 800 55 .63 26.05 12 .71 73.43 850 54 .16 26.94 13 .82 83.34 从产氢率的角度考虑，最佳操作温度是_。 随着反应的进行，发现 CaO 的吸收能力逐渐降低，原因是_。 (3)将氢气储存
11、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H_( 填“大于”“等于”或 “小于”)0。 答案(1)Fe2O33H2S=Fe2S33H2O(2)2H2H1H3(或 2H4H3H1或H2H4 H3)1.0CaO 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750 CaO 吸
12、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 (3)OH 和 CH小于 解析(1)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 =Fe2S33H2O。 (2)根据盖斯定律 v2ii i iii2iviiiiiiiviii，则H52H2H1H32H4 H3H1H2H4H3。 根据表格中产氢率，nCa nC 1.0 时最高；nCa nC 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
13、。根 据表格可知 750 时，产氢率最高。 CaO 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。(3)甲醇 的结构简式为 CH3OH，脱氢反应中断裂的化学键是 OH 和 CH；该反应的相对能量降低，反应放热。 3碳、氮能形成多种氧化物、氢化物。 (1)已知：2NO(g)N2(g)O2(g)H1180.5 kJmol 1 CO(g)1 2O 2(g)CO2(g)H2283 kJmol 1 则 NO 与 CO 反应生成两种无毒气体的热化学方程式为_。 (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
14、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。 如果不考虑催化剂价格，则使用催化剂_(填“”“”或“”)最好；A、B 两状态下， 生成 CO2的速率大小关系是_。 若容器容积为 2 L， 开始时加入 0.5 mol NO、 0.5 mol CO， 在催化剂的作用下达到如图 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_。 在图 2 坐标系中画出使用催化剂(其他条件相同)时，25 s 时容器内反应的脱氮率(NO 转化率)与温 度的关系图。 答案(1)2CO(g)2NO(g)2CO2(g)N2(g)H746.
15、5 kJmol 1 (2)v(A)v(B) 640 解析(1)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：2NO(g)N2(g)O2(g)H1180.5 kJmol 1；CO(g) 1 2O 2(g)CO2(g)H2283 kJmol 1； 根据盖斯定律可知2 可得 2CO(g)2NO(g)2CO2(g)N2(g)H180.5 kJmol 1( 283 kJmol 1)2746.5 kJmol1。 (2)据图可知相同时间内使用催化剂的反应最先达到平衡，所以使用催化剂最好；据图可知 A 点曲线的斜率更大，反应速率更快。 据图可知 25 s 时氮气的物质的量不再改变说明反应达到平衡，此时 n(N2)0.2 mol，根据方程式可 知此时容器中 n(CO2)0.4 mol，n(NO)n(CO)0.4 mol，初始投料为 0.5 mol CO 和 0.5 mol NO，所以 平衡时容器内 n(NO)n(CO)0.1 mol，容器的容积为 2 L，所以 K 0.2 2 0.4 2 2 0.1 2 20.1 2 2 640。
