人教版 (2019)选择性必修1第三节 化学反应的方向学案

第三节　化学反应的方向

[明确学习目标]　知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。

1．有些化学反应是自发进行，有方向性的。例如

H2(g)＋O2(g)===H2O(l)

ΔH＝－285.8 kJ·mol－1

因此，有人认为，只有放热的过程才能自发进行，这样就可以根据化学反应是吸热还是放热来判断化学反应进行的方向。而事实证明，有些吸热反应也可以自发进行，例如2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1，(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1所以不能只根据放热或者吸热来判断化学反应的方向。

2．实验发现，自发过程进行的方向还与“混乱度”有关。例如，两种气体混合后的扩散，物质在溶剂中溶解，这些过程都是自发地从混乱度小(有序)向混乱度大(无序)的方向进行。

3．科学家用熵(符号S)来度量这种混乱程度。对于同一种物质，气态时熵值最大，液态时次之，固态时最小，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。但有些熵减的过程也能自发进行，例如乙烯聚合为聚乙烯，再如4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)等。所以，不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向，只有孤立体系或者绝热体系，自发过程才向着熵增方向进行。

4．大量事实告诉我们，综合考虑焓变和熵变可以判断反应自发进行的方向。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)ΔH<0，ΔS>0的反应在温度低时不能自发进行。(　　)

(2)因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据。(　　)

(3)在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向。(　　)

(4)CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0。(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　

2．在一定温度下，能够用于判断一个反应是不是自发过程的依据是(　　)

A．只与焓变有关   B．只与熵变有关

C．由焓变和熵变共同决定   D．与焓变、熵变皆无关

答案　C

3．下列反应过程中，ΔH>0且ΔS>0的是(　　)

A．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)

B．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)

C．4Al(s)＋3O2(g)===2Al2O3(s)

D．HCl(aq)＋NaOH(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)

答案　B

4．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH，若该反应在一定条件下能自发进行，则有关该反应的ΔH、ΔS判断正确的是(　　)

A．ΔH<0　ΔS<0  B．ΔH<0　ΔS>0

C．ΔH>0　ΔS<0  D．ΔH>0　ΔS>0

答案　A

知识点　判断化学反应进行的方向

1．焓判据

2．熵判据

(1)熵值大小的判断

①同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。

②气态物质的物质的量增大的反应，熵值增大。

(2)熵增原理

在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，即熵变(符号ΔS)大于零，这个原理也叫熵增原理。在用来判断化学反应进行的方向时，就称为熵判据。

(3)熵判据

续表

3．复合判据

(1)复合判据：在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应焓变有关，又与反应熵变有关。很多情况下用不同的判据判定同一个反应，可能会出现相反的判断结果。因此，必须综合焓判据和熵判据来判定某一反应进行的方向。在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔG＝ΔH－TΔS<0的方向进行，最终达到平衡状态。

(2)复合判据与化学反应能否自发进行的关系

①ΔG＝ΔH－TΔS<0，化学反应能自发进行；

②ΔG＝ΔH－TΔS>0，化学反应不能自发进行。

[解析]　多数能自发进行的反应都是放热反应，但并不是所有自发进行的反应都是放热反应，所以只能说明焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素，但不是唯一因素。

[答案]　C

[练1]　下列变化过程中，ΔS<0的是(　　)

A．氯化钠固体溶于水

B．NH3(g)与HCl(g)反应生成NH4Cl(s)

C．干冰的升华

D．CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)

答案　B

解析　氯化钠固体溶于水，电离为离子，熵增大，A项为ΔS>0的过程；气体反应生成固体，熵减小，B项为ΔS<0的过程；物质由固态变为气态或固体分解生成气体，熵均增大，故C项和D项均为ΔS>0的过程。

[练2]　下列内容与结论相对应的是(　　)

答案　B

解析　物质由气态变为液态，混乱度减小，即ΔS<0，A错误；硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程，ΔS>0，反应可自发进行，B正确；ΔH>0、ΔS>0，根据复合判据可知，高温时ΔH－TΔS<0，即高温条件下，反应能自发进行，C错误；由ΔH<0，ΔS>0知，ΔH－TΔS<0，故该反应在任意温度下都能自发进行，D错误。

本课归纳总结

1．下列不能用焓判据解释的自发进行的过程是(　　)

A．铁在潮湿空气中生锈了

B．天然气的燃烧

C．铜在潮湿空气中产生铜绿

D．NH4Cl与Ba(OH)2·8H2O反应产生NH3

答案　D

解析　A项，铁在潮湿空气中能自发产生铁锈，该反应的ΔH<0，是能用焓判据解释的自发过程；B项，天然气燃烧生成CO2和水，该反应的ΔH<0，是能用焓判据解释的自发过程；C项，铜在潮湿空气中能自发产生铜绿，该反应的ΔH<0，是能用焓判据解释的自发过程；D项，NH4Cl与Ba(OH)2·8H2O反应产生NH3，可以产生结冰现象，温度降低，该反应的ΔH>0、ΔS>0，是不能用焓判据解释的自发过程。故选D。

2．下列说法正确的是(　　)

A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的

B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小

C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0

D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH＞0

答案　C

解析　反应的自发性是由熵变和焓变共同决定的，若ΔH＜0、ΔS＞0，则一定自发，若ΔH＞0、ΔS＜0，则一定不能自发，若ΔH＜0、ΔS＜0或ΔH＞0、ΔS＞0，反应能否自发，和温度有关，A、B错误；根据ΔH－TΔS＜0，反应的ΔS＞0，若ΔH＜0，则一定自发，现常温下不自发，说明ΔH＞0，C正确；反应的ΔS＜0，能自发，说明ΔH＜0，D错误。

3．下列有关化学反应方向及其判据的说法中错误的是(　　)

A．1 mol H2O在不同状态时的熵值：S[H2O(s)]＜S[H2O(g)]

B．已知某自发反应A(g)＋B(g)===2C(g)　ΔH＞0，则ΔS＜0

C．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＞0能否自发进行与温度有关

D．常温下，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0

答案　B

解析　物质聚集状态不同熵值不同，S(气体)>S(液体)>S(固体)，1 mol H2O在不同状态时的熵值：S[H2O(s)]<S[H2O(g)]，故A正确；A(g)＋B(g)===2C(g)　ΔH＞0，ΔH－TΔS＜0时反应自发，若此反应自发，则ΔS＞0，故B错误；CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH>0，ΔS>0，ΔH－TΔS<0，能否自发进行与温度有关，故C正确；常温下，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)不能自发，则ΔH－TΔS>0，反应中ΔS>0，则ΔH>0，故D正确。

4．分析下列反应，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　任何温度下均能自发进行，必须是放热反应，且是熵增的过程，A、C为吸热反应，故错误；B是熵减的过程，故错误，D是放热反应，且为熵增的过程，故正确。

5．下列反应在常温下均为非自发反应，在高温下仍为非自发反应的是(　　)

A．Ag2O(s)===2Ag(s)＋O2(g)

B．Fe2O3(s)＋C(s)===2Fe(s)＋CO2(g)

C．N2O4(g)===2NO2(g)

D．6C(s)＋6H2O(l)===C6H12O6(s)

答案　D

解析　反应自发进行的判断依据是ΔH－TΔS＜0。Ag2O(s)===2Ag(s)＋O2(g)反应的ΔH＞0、ΔS＞0，高温下ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行，故A错误；Fe2O3(s)＋C(s)===2Fe(s)＋CO2(g)反应的ΔH＞0、ΔS＞0，高温下ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行，故B错误；N2O4(g)===2NO2(g)反应的ΔH>0、ΔS＞0，高温下ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行，故C错误；6C(s)＋6H2O(l)===C6H12O6(s)反应的ΔH＜0、ΔS＜0，高温下ΔH－TΔS＞0，反应不能自发进行，故D正确。

6．自由能的变化(ΔG)是反应方向判断的复合判据：ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG<0时，反应正向自发进行。已知某化学反应其ΔH＝－122 kJ·mol－1，ΔS＝＋231 J·mol－1·K－1，则此反应在下列哪种情况下可自发进行(　　)

A．在任何温度下都能自发进行

B．在任何温度下都不能自发进行

C．仅在高温下自发进行

D．仅在低温下自发进行

答案　A

解析　ΔH＝－122 kJ·mol－1，即ΔH<0，ΔS＝＋231 J·mol－1·K－1，即ΔS>0，根据复合判据ΔG＝ΔH－TΔS，得出该反应的ΔG在任何温度下都小于0，即任何温度下都能自发进行，故A正确。

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．下面是生活中的几个自发过程，你认为其中能用熵判据解释的是(　　)

A．自然界中水由高处往低处流

B．0 ℃时水变为冰

C．墨水滴到水中会扩散到整个水体

D．铁器暴露在潮湿空气中会生锈并放出热量

答案　C

解析　A项，水由高处往低处流是势能减小，用能量判据。B项，水结冰是熵减的放热过程，焓判据有利自发，熵判据不利自发。D是放热的熵减反应，焓判据有利自发。

2．下列几个过程中，属于熵减的变化是(　　)

A．干冰的升华

B．NaCl溶于水

C．NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)

D．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑

答案　C

解析　熵是与物质的混乱度有关系的一个物理量，体系的混乱度越大，熵值越大。对于同一种物质，气态时熵值最大，固态时熵值最小，所以A、B、D都是熵值增大的过程，只有C是气体分子数减小的反应，熵值减小。

3．以下自发过程可用焓判据来解释的是(　　)

A．硝酸铵自发地溶于水

B．两种理想气体自发混合时热效应为0

C．(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1

D．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1

答案　D

解析　A项，硝酸铵的溶解过程是熵值增加的过程，主要是熵判据；B项，两种理想气体混合时焓变为0，所以只能用熵判据；C项为吸热的熵增反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，熵判据有利自发反应，焓判据不利自发反应，即要用熵判据；D项，反应是放热反应，且是熵值减小的，所以应该用焓判据，故选D。

4．下列关于自发过程的说法中正确的是(　　)

A．自发过程的逆过程在此条件下是非自发的

B．自发变化一定能进行，非自发变化一定不能进行

C．自发反应一定能进行彻底

D．可以通过改变温度或加催化剂的办法使非自发反应转变为自发反应

答案　A

解析　反应是否实际进行还要受速率影响，B错误；自发反应总是向ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至达到平衡状态，C错误；温度可以使ΔH和ΔS正负相同的不自发反应转变为自发反应，但催化剂不能，D错误，所以选A。

5．常温下氯化铵自发溶解过程表示如下，NH4Cl(s)===NH(aq)＋Cl－(aq)　ΔH(298 K)＝＋14.7 kJ·mol－1，下列关于此过程的判断中正确的是(　　)

A．溶解过程都是吸热的

B．此过程的熵变一定大于0

C．无法判断此过程的熵变大小

D．氯化铵的溶解过程在任何温度下都自发

答案　B

解析　浓硫酸、NaOH固体的溶解过程放热，所以A错误；溶解并发生电离，则ΔS＞0，所以C错误；ΔH＞0、ΔS＞0，则根据ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，高温容易自发，所以D错误，故选B。

6．已知：Mg(s)＋Cl2(g)===MgCl2(s)　ΔH(298 K)＝－642 kJ·mol－1，试判断下列说法正确的是(　　)

A．在任何温度下，正向反应是自发的

B．在任何温度下，正向反应是不自发的

C．高温下，正向反应是自发的；低温下，正向反应不自发

D．高温下，正向反应是不自发的；低温下，正向反应自发

答案　D

解析　根据反应的化学方程式可判断，该反应是ΔH＜0，ΔS＜0的反应，所以根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，低温有利正向自发进行，故选D。

7．碳酸铵[(NH4)2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气，对其说法中正确的是(　　)

A．碳酸铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大

B．碳酸铵分解是因为外界给予了能量

C．碳酸铵分解是吸热反应，此反应不应该自发进行，必须借助外力才能进行

D．碳酸盐都不稳定，都能自发分解

答案　A

解析　碳酸铵自发分解，是因为体系中氨气的生成而使熵增大，故A正确；碳酸铵在室温下就能自发地分解，不需要外界给予能量，故B错误；有些吸热反应也可自发，焓变不是判断自发反应的唯一因素，应根据ΔH－TΔS进行判断反应是否自发进行，故C错误；有的碳酸盐稳定，不能自发分解，如Na2CO3受热不分解，故D错误。

8．已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为C(石墨，s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH(298 K)＝－393.5 kJ/mol和C(金刚石，s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH(298 K)＝－395.4 kJ/mol，已知相同条件下石墨的熵值大。从理论上判断下列关于金刚石和石墨的相互转化的说法正确的是(　　)

A．石墨转化成金刚石是自发进行的过程

B．石墨转化成金刚石的反应必须借助外动力

C．石墨转化为金刚石仅在高温下自发

D．金刚石转化为石墨仅在高温下自发

答案　B

解析　石墨转变为金刚石是吸热(ΔH＞0)、熵减(ΔS＜0)的反应，所以根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，任何温度下都不自发，必须借助外力，故选B。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．判断下列体系的熵变小于0的是(　　)

A．水蒸气冷凝成水

B．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)

C．乙烯聚合成聚乙烯

D．N2O4(g)2NO2(g)

答案　AC

解析　同一物质的熵与其聚集状态有关：S(g)＞S(l)＞S(s)，所以水蒸气冷凝成水，熵值减小，故A正确；CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)反应过程中生成气体，熵值增加，故B错误；乙烯聚合成聚乙稀，由气体反应生成固体，熵值减小，故C正确；N2O4(g)2NO2(g)，正反应为气体体积增大的反应，熵值增加，故D错误。

10．已知碳酸钙的分解①CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH1，仅在高温下自发；②氯酸钾的分解2KClO3(s)===2KCl(s)＋3O2(g)　ΔH2，在任何温度下都自发。下面有几组焓变数据，其中可能正确的是(　　)

A．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1　ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1

B．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1　ΔH2＝－78.3 kJ·mol－1

C．ΔH1＝－178.32 kJ·mol－1　ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1

D．ΔH1＝＋178.32 kJ·mol－1　ΔH2＝＋78.3 kJ·mol－1

答案　B

解析　根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，如果仅在高温自发，则说明ΔH1＞0，ΔS1＞0；任何温度均自发，则说明ΔH2＜0，ΔS2＞0，故B可能正确。

11．在一定条件下，对于反应mA(g)＋nB(g)cC(g)＋dD(g)，C物质的浓度(C%)与温度、压强的关系如图所示，下列判断正确的是(　　)

A．ΔH<0　ΔS>0  B．ΔH>0　ΔS<0

C．ΔH>0　ΔS>0  D．ΔH<0　ΔS<0

答案　A

解析　根据图像可知，在压强不变时，升高温度，C的含量降低，说明平衡逆向移动，逆反应方向是吸热反应，正反应是放热反应，ΔH<0；在温度不变时，增大压强，C的含量降低，说明增大压强，平衡逆向移动，逆反应方向是气体体积减小的方向，则正反应是气体体积增大的反应，ΔS>0。

12．以白云石(CaCO3·MgCO3)为原料冶炼金属镁的反应工艺涉及以下两个反应：

①CaCO3·MgCO3MgO·CaO＋2CO2↑；

②2(MgO·CaO)＋Si2CaO·SiO2＋2Mg↑。

对①②两个反应的说法正确的是(　　)

A．在敞口容器中有利于反应①的进行

B．反应①能进行，说明该反应ΔH<0

C．在真空条件下有利于反应②的进行

D．反应②能进行，说明Si的还原性比Mg强

答案　AC

解析　在敞口容器中进行①反应，反应产生CO2脱离反应体系，根据平衡移动原理，减小生成物浓度，平衡正向移动，因此有利于反应①的进行，A正确；由于该反应的正反应是气体体积增大的反应，ΔS>0，根据体系的自由能公式ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应可自发进行，反应在高温下进行，因此不能判断该反应的正反应是放热反应还是吸热反应，B错误；反应在真空条件下进行，就可以避免反应产生的Mg被氧化，因此对该反应发生有利，C正确；反应在高温下发生，因此不能证明物质Si、Mg还原性的相对强弱，D错误。