化学选择性必修1第三节 化学反应的方向导学案

第三节　化学反应的方向

要点一　化学反应进行方向的判据

1．化学反应的方向与焓变的关系

(1)依据表格中的反应分析反应进行的方向与ΔH之间的关系

(2)自发反应与焓变的关系

大多数放热反应是可以自发进行的，但有些吸热反应也能自发进行，因此，不能只根据放热或吸热来判断化学反应进行的方向。

2．化学反应的方向与熵变的关系

(1)熵(符号为S)：用来度量体系混乱程度的物理量。对于同一种物质，不同状态时熵值大小为S(g)＞S(l)＞S(s)。

(2)熵增：体系有自发地向混乱度增加(即熵增，ΔS>0)的方向转变的倾向。

(3)依据表格中的反应分析反应进行的方向与ΔS之间的关系

(4)自发反应与熵变的关系

大多数熵增的反应可以自发进行，但有些熵减(ΔS<0)的反应也能自发进行，因此，不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向。

要点二　自由能与化学反应的方向

1．自由能：符号为ΔG，单位为kJ/mol；公式为ΔG＝ΔH－TΔS。

2．判断依据

在等温、等压条件下的封闭体系中(不考虑体积变化做功以外的其他功)，化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡：

(1)ΔG<0，反应能自发进行；

(2)ΔG＝0，反应处于平衡状态；

(3)ΔG>0，反应不能自发进行。

判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)体系有序性越高，熵值就越大。(　　)

(2)同种物质气态时熵值最大。(　　)

(3)吸热反应不可以自发进行。(　　)

(4)在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大。(　　)

(5)过程自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程发生的速率。(　　)

答案 (1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×

(1)熵值越大，体系的混乱程度越大。

(2)根据反应的热效应和熵变判断化学反应进行的方向，都是具有局限性的。

(3)化学反应研究包含三个不同的角度：化学反应进行的方向、化学反应的限度和化学反应速率，三者互不相干，即反应自发，但反应速率不一定快，反应进行的程度不一定大。

考点一　反应的自发性

1．已知：2H2＋O22H2O,2NH4Cl＋Ba(OH)2·8H2O===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O均为自发反应。

(1)自发反应不需要任何条件就能自发进行吗？

(2)自发反应就是物质能量降低的过程吗？

答案 (1)不是，如H2和O2反应需要点燃。

(2)不是，如NH4Cl和Ba(OH)2·8H2O反应属于吸热反应，反应后生成物能量升高。

1. 并不是自发反应一定能发生，非自发反应一定不能发生。自发反应和非自发反应是指该反应过程是否有自发进行的倾向，而这个过程是否一定会发生则不能确定。例如：碳的燃烧是一个自发反应，但需要借助外界条件“点燃”，反应才能发生；由食盐水生成H2、Cl2和NaOH为非自发反应，但在电解的条件下可以发生。

2．自发过程与非自发过程，自发反应与非自发反应的关系

(1)一般来说，如果一个过程是自发的，则其逆过程往往是非自发的。

(2)自发反应和非自发反应是可能相互转化的，某一条件下的自发反应可能在另一条件下就是非自发反应，如2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)是常温下的自发反应，而在高温条件下其逆反应是自发反应。

(3)过程的自发性只能用于判断过程的方向，而不能用于确定过程是否一定会发生以及过程发生的速率，如涂有防锈漆和未涂有防锈漆的铜制品器件，它们发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。

【例题1】 下列关于自发过程的叙述中，正确的是(　　)

A．只有不需要任何条件就能够自动进行的过程才是自发过程

B．需要加热才能够进行的过程肯定不是自发过程

C．同一可逆反应的正、逆反应在不同条件下都有自发的可能

D．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程

思维导引：反应的自发性与反应是否一定能够发生不能混为一谈，反应的自发性与是否需要外加条件没有直接关系。

答案　C

解析　自发过程可能需要一定条件才能自发进行，如木炭的燃烧，A项错误；Fe＋SFeS是需要加热的自发过程，B项错误；CaCO3CaO＋CO2↑属于在高温下进行的非自发过程，D项错误。

【变式1】 下列不属于自发进行的变化是(　　)

A．红墨水加到清水中使整杯水变红

B．冰在室温下融化成水

C．水电解生成氢气和氧气

D．铁器在潮湿的空气中生锈

答案　C

解析　红墨水滴入清水中能使整杯水变红、冰在室温下融化为水、铁器在潮湿空气中生锈等过程都是自发进行的，A、B、D项属于自发进行的变化；而水电解生成氢气和氧气的反应必须通电电解才可以进行，不属于自发过程，C项不属于自发进行的变化。

考点二　自由能与化学反应的方向

2．合成氨反应是一个可逆反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)

ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。

(1)请你根据正反应的焓变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？

(2)请你根据正反应的熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？

(3)请你根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？

答案  (1)能。正反应为放热反应，由高能状态到低能状态，可自发进行。

(2)不能。正反应为气体体积减小的反应，ΔS＜0，混乱度减小，不能自发进行。

(3)能。ΔG＝ΔH－TΔS＝－92.2 kJ·mol－1－298 K×(－198.2)×10－3 kJ·mol－1·K－1＝－33.136 4 kJ·mol－1＜0，反应在298 K时可以自发向正反应方向进行。

1．自由能与化学反应的方向

(1)当ΔH<0，ΔS>0时，ΔG<0，反应能自发进行。

(2)当ΔH>0，ΔS<0时，ΔG>0，反应不能自发进行。

(3)当ΔH>0，ΔS>0或ΔH<0，ΔS<0时，反应能否自发进行与温度有关。一般低温时ΔH的影响为主，高温时ΔS的影响为主。温度与反应方向的关系如图：

2．应用局限

综合考虑焓变和熵变可以判断反应自发进行的方向，但不能确定反应是否一定发生以及发生的速率。

【例题2】 汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)是城市主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上安装催化转化器，使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，其反应原理是2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)。由此可知，下列说法中正确的是(　　)

A．该反应是熵增大的反应

B．该反应不能自发进行，因此需要合适的催化剂

C．该反应常温下能自发进行，催化剂条件只是加快反应的速率

D．该反应常温下能自发进行，因为正反应是吸热反应

思维导引：从气体分子数变化可判断熵变，催化剂只能改变反应速率，不影响化学平衡和化学反应进行的方向。

答案　C

解析　因该反应是气体体积减小的反应，故熵减小，A项错误；只使用催化剂便可使尾气发生转化，故此反应能自发进行，B项错误；因熵减小不利于反应自发进行，故该反应常温下能自发进行的原因是反应放热，D项错误。

【变式2】 下列反应在任何温度下均能自发进行的是(　　)

A．2N2(g)＋O2(g)===2N2O(g)　ΔH＝＋163 kJ·mol－1

B．Ag(s)＋Cl2(g)===AgCl(s)　ΔH＝－127 kJ·mol－1

C．HgO(s)===Hg(l)＋O2(g) 　ΔH＝＋91 kJ·mol－1

D．H2O2(l)===O2(g)＋H2O(l)　ΔH＝－98 kJ·mol－1

答案　D

解析　反应能自发进行的前提条件是反应的ΔH－TΔS<0。A项，ΔH>0，ΔS<0，在任何温度下，ΔH－TΔS>0，反应都不能自发进行；B项，ΔH<0，ΔS<0，在较低温度下，ΔH－TΔS<0，反应能自发进行；C项，ΔH>0，ΔS>0，在较高温度下，ΔH－TΔS<0，反应能自发进行；D项，ΔH<0，ΔS>0，在任何温度下，ΔH－TΔS<0，反应均能自发进行。

1．(反应焓变与反应方向)下列过程的反应方向能用焓判据判断的是(　　)

A．湿的衣服经过晾晒变干

B．硝酸铵溶于水

C．水蒸气凝结成水

D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＞0

答案　C

解析　A项，湿衣服晾晒变干是衣服中的水吸收能量变为水蒸气的过程，不能用焓判据判断；B项，硝酸铵溶于水为熵增加的过程，不能用焓判据判断；C项，水蒸气凝结为水放出热量，可用焓判据判断；D项，CaCO3分解为吸热反应，不能用焓判据判断。

2．(熵变的判断)下列对熵变的判断中不正确的是(　　)

A．少量的食盐溶于水中：ΔS＞0

B．炭和氧气反应生成CO(g)：ΔS＞0

C．气态水变成液态水：ΔS＞0

D．CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)：ΔS＞0

答案　C

解析　食盐溶于水是典型的熵增加的过程，A项正确；2C(s)＋O2(g)===2CO(g)，气体的物质的量增大，为熵增加的反应，B项正确；气态水变成液态水是体系混乱度减小的过程，为熵减小的过程，C项错误；CaCO3(s)的分解产生了气体，为熵增加的反应，D项正确。

3．(自发过程与自发反应)下列说法不正确的是(　　)

A．焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数放热反应能自发进行

B．在同一条件下物质有不同的熵值，其体系的混乱程度越大，熵值越大

C．自发反应是指不需要条件就能发生的反应

D．一个反应能否自发进行与焓变和熵变的共同影响有关

答案　C

解析　ΔH－TΔS<0反应能自发进行，一个反应能否自发进行与焓变和熵变的共同影响有关，焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数放热反应能自发进行，A、D项正确；根据熵增原理，体系的混乱程度越大，熵值越大，B项正确；自发性只能用于判断过程的方向，而不能用于确定过程是否一定会发生，C项错误。

4．(自由能的应用)在电子工业中，清洗硅片上的SiO2(s)的反应是SiO2(s)＋4HF(aq)===SiF4(g)＋2H2O(g)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ/mol，ΔS(298.15 K)＝－75.8 J/(mol·K)。设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行的最高温度为(　　)

A．1.24×106 K　　　 B．1.24×103 K

C．3.36×103 K  D．2.48×103 K

答案　B

解析　根据题意，要使反应能自发进行，则ΔG＝ΔH－TΔS＜0，即有ΔG＝－94.0 kJ/mol－T×[－75.8 J/(mol·K)×10－3 kJ/J]＜0，则T＜≈1.24×103 K。

5．(综合应用)回答下列问题：

(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。已知该反应的ΔH>0，简述该设想能否实现的依据：______________________。

(2)下列反应中，在高温下不能自发进行的是____(填字母)。

a．CO(g)===C(s)＋O2(g)

b．2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)

c．(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)

d．MgCO3(s)===MgO(s)＋CO2(g)

(3)运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义，请完成下列探究。

生产氢气：将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g)　ΔH＝＋131.3 kJ·mol－1，ΔS＝＋133.7 J·mol－1·K－1，该反应在低温下____(填“能”或“不能”)自发进行。

解析 (1)该反应ΔH>0、ΔS<0，代入ΔG＝ΔH－T·ΔS得，ΔG>0，故不能实现该反应。(2)ΔH－TΔS<0时，反应才能自发进行。a、b、c、d项反应ΔH>0，a项ΔS<0，ΔH－TΔS>0，该反应在任何温度下都不能自发进行；b、c、d项反应的ΔS>0，在高温下均能自发进行。(3)ΔG＝ΔH－TΔS＜0为自发反应，代入题给数据，整理得在T＞≈982.0 K时该反应能自发进行，由此可知该反应在低温下不能自发进行。

答案 (1)该反应ΔH>0，ΔS<0，ΔH－TΔS>0，任何温度下均不能自发进行　(2)a　(3)不能