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第4课时 核心价值——化学反应原理在物质制备中的调控作用(学科本质价值)
化学反应原理在物质制备中的调控作用是高考命题的热点，要求考生认识化学反应速
率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究领域中的重要作用，知道催化剂可以改变
反应历程，对调控反应速率具有重要意义；要求考生结合生产实例(如合成氨、汽车尾气处理、
塑料的工业合成等)，从限度、快慢、能耗等多角度综合调控化学反应，发展“绿色化学”的
观念和辩证思维的能力。此类试题大多与化工生产实际相联系，要求考生用化学视角审视实
际问题，具备正确的化学观念，如物质观、反应观、能量观、平衡观等，体现化学学科的本质价
值。
一、化学反应进行的方向
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。
自发反应是化学反应，如水蒸气冷凝得到液态水属于自发过程，但不是自发反
应。
2．熵和熵变
(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。
(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．判断化学反应进行的方向对于一个特定的气相反应，熵变的大小取决于反应前后的气体物质的化学计量
数大小。
二、化学反应的调控
1．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。
2．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。
(3)应用示例
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：N(g)＋3H(g) 2NH (g) ΔH＝－92.4 kJ·mol－1。
2 2 3④综合考虑——选择适宜的生产条件
条件 温度 压强 投料比 催化剂 循环操作
采用循环操作
具体内容 400～500 ℃ 10～30 MPa ＝ 铁触媒 提高原料利用
率
下列说法中正确的是( )
A．(2020·江苏卷)反应SiCl (g)＋2H(g)=====Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备，该反应
4 2
ΔH>0、ΔS<0
B．(2019·江苏卷)一定温度下，反应2H(g)＋O(g)===2H O(g)能自发进行，该反应的
2 2 2
ΔH<0
C．(2018·江苏卷)反应4Fe(s)＋3O(g)===2Fe O(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反
2 2 3
应
D．(2017·江苏卷)反应N (g)＋3H (g)2NH (g)的ΔH< 0，ΔS>0
2 2 3
B [SiCl (g)与H(g)反应的正反应是气体分子数增多的反应，则有ΔS>0，A项错误；
4 2
H(g)与O(g)反应的ΔS<0，一定温度下反应能自发进行，则ΔH－TΔS<0，则有ΔH<0，B项正
2 2
确；反应4Fe(s)＋3O(g)===2Fe O(s)的ΔS<0，常温下可自发进行，则有ΔH<0，该反应为放热
2 2 3
反应，C项错误；反应N
2
(g)＋3H
2
(g)⇌2NH
3
(g)的ΔS<0，D项错误。][训练1] (2021·山东聊城检测)下列各项判断完全正确的是( )
选项 变化 ΔH ΔS 方向性
A HO(l)―→HO(g) >0 <0 非自发
2 2
B 2NO
2
(g)⇌N
2
O
4
(g) <0 <0 自发
C 2Fe3＋(aq)＋Cu(s)===2Fe2＋(aq)＋Cu2＋(aq) >0 >0 自发
D NH Cl(s)=====NH (g)↑＋HCl(g)↑ <0 >0 非自发
4 3
B [液态水转化为气态水是熵增加的过程，A项错误；NO 转化为NO 为化合反应，该
2 2 4
反应是放热的、熵值减小常温下就能发生的可逆反应，属于自发反应，B项正确；该反应是放
热反应，C项错误；NH Cl受热分解反应属于吸热反应，D项错误。]
4
[训练2] (2020·河南开封期初调研)下列说法正确的是( )
A．2NO(g)＋2CO(g)===N (g)＋2CO(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH>0
2 2
B．反应NH (g)＋HCl(g)===NHCl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0
3 4
C．CaCO (s)===CaO(s)＋CO(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0
3 2
D．常温下，反应C(s)＋CO(g)===2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH<0
2
B [该反应自发进行，则ΔH－TΔS<0，即ΔH0、ΔS<0，则ΔH<0，B项正
确。]
(1)(2020·全国卷Ⅲ，28题节选)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO 的热点
2
研究领域。二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C H、C H、C H 等低碳烃。
3 6 3 8 4 8
一 定 温 度 和 压 强 条 件 下 ， 为 了 提 高 反 应 速 率 和 乙 烯 选 择 性 ， 应 当
________________________________________________________________________。
(2)(2020·山东卷，18题节选)CO
2
(g)＋3H
2
(g)⇌CH
3
OH(g)＋H
2
O(g) ΔH
1
＝－49.5 kJ·mol－
1为同时提高CO 的平衡转化率和CHOH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标
2 3
号)。
A．低温、高压 B．高温、低压C．低温、低压 D．高温、高压
解析 (1)根据外界条件对速率的影响，可知在一定温度和压强下，选择合适的催化剂可
提高反应速率，同时使合成乙烯的主反应较多地发生，而副反应被抑制(即反应的选择性)。
(2)该反应为ΔH＜0，气体系数减小的反应，生成甲醇的反应是放热、气体分子数减小的
反应，且由图乙可知在较低温度下CO 的平衡转化率较高，应选择低温、高压，故A项正确。
2
答案 (1)选择合适催化剂等 (2)A
[训练3] (2021·四川新津中学检测)据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成
乙醇(CH
3
CH
2
OH)已成为现实：2CO
2
(g)＋6H
2
(g)⇌CH
3
CH
2
OH(g)＋3H
2
O(g)。下列叙述错误的
是( )
A．使用CuZnFe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CO 气体可提高H 的转化率
2 2
D．从平衡混合气体中分离出CHCHOH和HO，可提高CO 和H 的利用率
3 2 2 2 2
B [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，A
项正确；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，
则K不一定增大，B项错误；充入大量CO 气体，能使平衡正向移动，提高H 的转化率，C项
2 2
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CO 和H 的转化率，D项正
2 2
确。]
[训练4] (2021·湖北武汉联考)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TaS
2
晶体，发生如下反应：TaS
2
(s)＋2I
2
(g)⇌TaI
4
(g)＋
S(g) ΔH＞0(Ⅰ)。如图所示，反应(Ⅰ)在石英真空管中进行，先在温度为T 的一端放入未提
2 2
纯的TaS 粉末和少量I(g)，一段时间后，在温度为T 的一端得到了纯净TaS 晶体，则温度
2 2 1 2
T________(填“＞”“＜”或“＝”)T。上述反应体系中循环使用的物质是________。
1 2(2)CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H
2
(g)⇌CH
3
OH(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__________________________
_______________________________________________________________________________
。
解析 (1)由题意知，未提纯的TaS 粉末变成纯净TaS 晶体，要经过两步转化：①TaS ＋
2 2 2
2I===TaI＋S，②TaI ＋S===TaS ＋2I，即反应(Ⅰ)先在温度T 端正向进行，后在温度T 端
2 4 2 4 2 2 2 2 1
逆向进行，反应(Ⅰ)的ΔH大于0，因此温度T 小于T，该过程中循环使用的物质是I。(2)从
1 2 2
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。
答案 (1)＜ I
2
(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
训练(三十七) 化学反应原理在物质制备中的调控作用
1．(2021·广西南宁二中检测)汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO 等)，是城市主要污染源之
2
一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气
生态循环的无毒气体，反应原理：2NO(g)＋2CO(g)===N (g)＋2CO(g)，在298 K、101 kPa下，
2 2
ΔH＝－113 kJ/mol、ΔS＝－145 J/(mol·K)。下列说法中错误的是( )
A．该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量
B．该反应常温下不能自发进行，因此需要高温和催化剂
C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是加快反应的速率
D．汽车尾气中的这两种气体会与血红蛋白结合而使人中毒
B [该反应是放热反应，则反应物的总能量高于生成物的总能量，A项正确；在298 K、
101 kPa下，ΔH＝－113 kJ/mol、ΔS＝－145 J/(mol·K)，则有ΔH－TΔS＝(－113 kJ/mol)－298K×[－0.145 kJ/(mol·K)]＝－69.79 kJ/mol<0，该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是
加快反应的速率，B项错误，C项正确；NO、CO均会与血红蛋白结合而使人中毒，D项正确。]
2．(2021·安徽六校第一次联考)工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯(HCOOCH )：
3
CH
3
OH(g)＋CO(g)⇌HCOOCH
3
(g)。在容积固定的密闭容器中，投入等物质的量CH
3
OH和
CO，测得相同时间内CO的转化率随温度变化如图所示。下列说法不正确的是( )
A．增大压强，甲醇转化率增大
B．b点反应速率
v正
＝
v逆
C．平衡常数K(75 ℃)＞K(85 ℃)，反应速率：
vb
＜
vd
D．生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜
B [增大压强，平衡正向移动，甲醇转化率增大，A项正确；b点处于图中最高点左侧，b
点CO转化率未到达平衡值，此时反向正向进行，故b点反应速率 v正 >v逆 ，B项错误；温度升
高，反应速率加快，d点温度高于b点，则反应速率：
vb
＜
vd
；CO转化率达到最大值后，升高温
度，CO的转化率降低，说明达到平衡后，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则该反应
是放热反应，平衡常数K(75 ℃)＞K(85 ℃)，C项正确；图中在80～85 ℃时，CO转化率较大，
故生产时反应温度控制在80～85 ℃为宜，D项正确。]
3．(2021·河北衡水中学调研)335 ℃时，在恒容密闭反应器中1.00 mol C H (l)催化脱氢
10 18
的反应过程如下：
反应1∶C
10
H
18
(l)⇌C
10
H
12
(l)＋3H
2
(g) ΔH
1
反应2∶C
10
H
12
(l)⇌C
10
H
8
(l)＋2H
2
(g) ΔH
2
测得C H 和C H 的产率x 和x(以物质的量分数计)随时间的变化关系及反应过程能
10 12 10 8 1 2
量变化如下图所示。下列说法错误的是( )A．催化剂能改变反应历程
B．更换催化剂后，ΔH、ΔH 也会随之改变
1 2
C．8 h时，反应2未处于平衡状态
D．x 显著低于x，是因为反应2的活化能比反应1的小，反应1生成的C H 很快转变
1 2 10 12
成C H
10 8
B [使用催化剂，产生多种中间产物，改变反应历程，A项正确；焓变(ΔH)取决于反应物
具有的总能量和生成物具有的总能量，更换催化剂后，反应历程改变，但ΔH、ΔH 不会随之
1 2
改变，B项错误；图中8 h后，C H 的产率x 逐渐增大，故反应2未处于平衡状态，C项正确；
10 8 2
由图可知，反应1的活化能大于反应2的活化能，则反应1的速率比反应2的速率慢，反应1
生成的C H 很快转变成C H，故x 显著低于x，D项正确。]
10 12 10 8 1 2
4．(2021·山东肥城检测)氢能作为新型能源，可利用CO制得，北京大学马丁教授等团队
向容积为V L的密闭容器中充入等物质的量的CO和HO进行反应。
2
已知：
反应Ⅰ：FeO(s)＋CO(g)⇌Fe(s)＋CO
2
(g) ΔH
1
反应Ⅱ：FeO(s)＋H
2
(g)⇌Fe(s)＋H
2
O(g) ΔH
2
反应Ⅲ：CO(g)＋H
2
O(g)⇌CO
2
(g)＋H
2
(g) ΔH
反应Ⅲ在不同催化剂作用下(反应相同时间)，温度与CO转化率的关系如图所示。(1)反应Ⅲ的ΔH与ΔH、ΔH 关系式：ΔH＝________。
1 2
(2)若反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数分别为K 和K ，则反应Ⅲ的平衡常数K与K 、K 的关
1 2 1 2
系式：K＝________。
(3) 随 着 温 度 的 升 高 ， CO 的 转 化 率 先 升 后 降 ，“ 后 降 ” 的 可 能 原 因 是
________________________________。
(4)由图可知，ΔH________0(填“大于”或“小于”)，催化剂应选择________(填
“Au/αMoC”或“Au/αMoC/NaCN”)。
(5)已知T＝1 025 K时，K＝1。则平衡时CO的转化率α(CO)＝________。当T＞1 025K
时，平衡时，H 的体积分数 ω 的取值范围为________。此时，CO 还原 FeO(s)的能力
2
________H(填“大于”或“小于”)。
2
(6)欲提高H 的体积分数，可采取的措施为________________________________。
2
解析 (1)由反应Ⅰ－Ⅱ可得反应Ⅲ，根据盖斯定律，则反应Ⅲ的ΔH＝ΔH－ΔH 。
1 2
(2)由于反应Ⅰ－Ⅱ＝Ⅲ，反应I和II的平衡常数分别为K 和K ，则反应Ⅲ的平衡常数为
1 2
K＝。
(3)由图可知，催化剂的催化活性随温度先增大后减小，温度过高，催化剂的催化活性下
降，会引起CO的转化率降低。
(4)由图可知，随着温度的升高，CO平衡转化率逐渐减小，说明升高温度，平衡逆向移动，
则该反应的ΔH<0。由图可知，催化剂Au/αMoC在较低温度时具有较高的催化活性，故催化
剂应选择Au/αMoC。
(5)起始时 CO 和 HO(g)的物质的量相等，假设均为 1 mol，由于反应 CO(g)＋
2
H
2
O(g)⇌CO
2
(g)＋H
2
(g)前后气体总分子数不变，平衡常数K＝1，则平衡时四种物质的物质的
量均为0.5 mol，故CO的平衡转化率为×100%＝50%。1 025 K时，H 的体积分数为25%；升
2
高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡时H 的体积分数减小，但肯定大于0，故H 的体积分
2 2
数取值范围为0<ω<25%。(6)欲提高H 的体积分数，可采取的措施有及时分离出CO，或降低温度等。
2 2
答案 (1)ΔH－ΔH (2)
1 2
(3)温度过高，催化剂的催化活性下降
(4)小于 Au/αMoC
(5)50% 0<ω<25% 小于
(6)及时分离出CO(或降低温度)
2
5．(2021·河北石家庄二中检测)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 ：
ΔH＝＋123.5 kJ·mol－1。工业上，通常在乙苯(EB)蒸气中掺混N(原料气中乙苯和N 的物质
2 2
的量之比为1∶10，N 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
2
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H 以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)示意图为
2
(1)A、B两点对应的正反应速率较大的是________。
(2)掺入N 能提高乙苯的平衡转化率，解释说明该事实
2
________________________________________________________________________。
(3)用平衡分压代替平衡浓度计算600 ℃时的平衡常数K ＝________。(保留两位有效数
p
字，分压＝总压×物质的量分数)
(4)控制反应温度为600 ℃的理由是____________________________________________
___________________________________________________________________________
。
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：
1 0 0
0.4 0.4 0.4
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K ＝≈0.019。
p
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，平衡正向移
动 (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
