6-小专题突破9-化学反应的调控

小专题突破9化学反应的调控——变化观念与平衡思想、科学态度与社会责任[专题精讲]影响化学反应进行的因素有两个方面，首先是参加反应的物质的组成、结构和性质等本身因素，其次是温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。化学反应的调控，就是通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。在实际生产中常常需要结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找一个适宜的生产条件。此外，还要根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析，权衡利弊，才能实施生产。1．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反应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、高压能力等。(5)注意催化剂的活性对温度的限制。2．平衡类问题需综合考虑的几个方面(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。(2)原料的循环利用。(3)产物的污染处理。(4)产物的酸碱性对反应的影响。(5)气体产物的压强对平衡造成的影响。(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。3．化学反应调控的实例——工业合成氨(1)反应原理N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1(2)反应特点：①反应为可逆反应；②正反应为放热反应；③反应物、生成物均为气体，且正反应为气体物质的量减小的反应。(3)反应条件的选择反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中氨含量的影响合成氨条件的选择增大压强增大反应速率平衡正向移动，平衡混合物中氨的含压强增大，有利于氨的合成，但需要动力大，对材料、设备的要求高。故量提高采用10～30MPa的高压升高温度增大反应速率平衡逆向移动，平衡混合物中氨的含量降低温度要适宜，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。故采用400～500℃左右的温度，并且在该温度下催化剂的活性最大使用催化剂增大反应速率没有影响工业上一般选用铁触媒做催化剂(4)综上，工业上通常采用铁触媒、在400～500℃和10～30MPa的条件下合成氨。(5)原料气的充分利用合成氨反应的转化率较低，从原料充分利用的角度分析，工业生产中可采用循环操作的方法提高原料的利用率。[专题精练]1．(2020·长春质检)二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”，由合成气制备二甲醚的主要原理如下：①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH1＝－90.7kJ·mol－1②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH2＝－23.5kJ·mol－1③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH3＝－41.2kJ·mol－1回答下列问题：(1)反应3H2(g)＋3CO(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)的ΔH＝____________kJ·mol－1。下列措施中，能提高CH3OCH3产率的有__________(填字母)。A．使用过量的COB．升高温度C．增大压强(2)反应③能提高CH3OCH3的产率，原因是__________________________________。(3)将合成气以n(H2)n(CO)＝2通入1L的反应容器中，一定条件下发生反应：4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH，则CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图所示，下列说法正确的是____________(填字母)。A．ΔH0B．p1p2p3C．若在p3和316℃时，起始时n(H2)n(CO)＝3，则达到平衡时，CO转化率小于50%答案：(1)－246.1AC(2)反应③消耗了反应②的H2O(g)，有利于反应②正向进行，同时生成了H2(3)A2．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)ΔH0(Ⅰ)如图所示，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图所示。该反应ΔH________(填“”或“”)0。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是___________________________。解析：(1)由题意可知，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ΔH0，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。答案：(1)I2(2)在1.3×104kPa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3．煤炭是重要的化工原料，但属于不可再生能源，高效、清洁地利用煤炭资源至关重要。请回答下列问题：(1)煤的气化原理是C(s)＋2H2(g)CH4(g)ΔH。在1L密闭容器中投入1mol碳，并充入2molH2，测得相关数据如图所示。①有关图1、图2的说法正确的有____________(填字母)。a．p16MPab．T11000Kc．ΔH0d．工业生产中，当温度为T2时，压强越高，经济效益越好②图2中A点对应的平衡常数Kp＝____________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。(2)煤生产水煤气和半水煤气①工业上用煤生产作为合成氨原料气的水煤气，要求气体中(CO＋H2)与N2的体积之比为3.1～3.2，发生的反应有C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)，C(s)＋12O2(g)CO(g)。从能量角度考虑，通入空气的目的是________________________________________________。②煤炭化工中有反应为CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)。在400℃时，反应物的物质的量均为1mol，在绝热恒容条件下开始反应，下列不能说明反应达到平衡状态的有____________(填字母)。a．体系的压强不再发生变化b．混合气体的密度不变c．混合气体的平均相对分子质量不变d．各组分的物质的量浓度不再改变e．体系的温度不再发生变化f．v正(CO)＝v逆(H2O)③如图是反应CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)ΔH0中CO和CO2的浓度随时间发生变化的曲线，则t2时刻改变的条件可能是____________(写出一种即可)。若t4时刻通过改变容积的方法将压强增大为原来的2倍，在图中t4～t5区间内画出CO、CO2浓度变化曲线，并标明物质名称(假设各物质状态均保持不变)。解析：(1)①该反应为反应前后气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，碳的转化率增大，故p16MPa，a项正确；根据图1可知，升高温度，碳的转化率减小，平衡逆向移动，则ΔH0，图2中T1时碳的转化率大于1000K时的转化率，则T11000K，b、c项正确；压强增大，碳的转化率增大，但增大的幅度较小，并且增大压强对设备有一定的要求，故不是压强越高，经济效益越好，d项错误。②A点对应的碳的平衡转化率为50%，则生成0.5molCH4，剩余0.5mol碳和1molH2，由于碳为固体，则p(H2)＝1mol1mol＋0.5mol×4.5MPa＝3MPa，p(CH4)＝0.5mol1mol＋0.5mol×4.5MPa＝1.5MPa，故Kp＝p(CH4)p2(H2)＝1.532＝16。答案：(1)①abc②16(2)①前者是吸热反应，通入空气后发生的反应是放热反应，可维持体系的热量平衡②bc③降低温度(或增大水蒸气的量、减少氢气的量)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－TΔSΔG0时，反应能自发进行；ΔG＝0时，反应达到平衡状态；ΔG0时，反应不能自发进行。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、高压能力等。(5)注意催化剂的活性对温度的限制。3.平衡类问题需综合考虑的几个方面(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。(2)原料的循环利用。(3)产物的污染处理。(4)产物的酸碱性对反应的影响。(5)气体产物的压强对平衡造成的影响。(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。1.氢气是一种理想的绿色能源。利用生物质发酵得到的乙醇制取氢气，具有良好的应用前景。乙醇水蒸气重整制氢的部分反应过程如下图所示：已知：反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数随温度变化曲线如图所示。(1)①试说明反应Ⅰ能否发生自发反应_________________________________________。②反应Ⅰ、Ⅱ达平衡后，若在恒温恒压条件下，向体系中充入N2，CO的体积分数会______(填“上升”“不变”或“下降”)。(2)反应Ⅱ，在进气比[n(CO)∶n(H2O)]不同时，测得相应的CO的平衡转化率见下图1：(各点对应的反应温度可能相同，也可能不同)①图1中D、E两点对应的反应温度分别为TD和TE。判断：TD___TE(填“”“＝”或“”)。②经分析计算，A、E和G三点对应的反应温度相同，理由是_____________________。③在图2中，画出D点所对应温度下CO平衡转化率随进气比[n(CO)∶n(H2O)]的曲线。答案(1)①反应Ⅰ：CH3CH2OH(g)＋H2O(g)===2CO(g)＋4H2(g)，ΔS0，根据化学平衡常数与温度的关系可知ΔH0，高温下可自发②上升(2)①②经计算，A、E、G三点平衡常数相同，故反应温度相同③趋势正确，且必须穿过F、G之间解析(1)②在恒温恒压条件下，向体系中充入N2相当于增大了容器的体积，有利于反应Ⅰ正向移动，反应Ⅱ平衡不移动，CO的体积分数会增大。(2)①CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH0，反应为放热反应，升温平衡逆向移动，CO转化率减小，图1中D、E两点对应的反应温度分别为TD和TE，D点CO转化率大于E点CO转化率，说明TDTE。②E点时：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)起始量1100变化量0.50.50.50.5平衡量0.50.50.50.5E点平衡常数K＝1A点时：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)起始量1200变化量0.6670.6670.6670.667平衡量0.3331.3330.6670.667A点平衡常数K≈1G点时：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)起始量3200变化量1.21.21.21.2平衡量1.80.81.21.2G点平衡常数K＝1.2×1.21.8×