高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向学案及答案

第1节　化学反应的方向

一、反应焓变与反应方向

1．自发过程与自发反应

2．反应焓变与反应方向的关系

(1)多数能自发进行的化学反应是ΔH<0的反应。

(2)有些ΔH>0的反应也能自发进行。

(3)不能仅用反应焓变来判断反应能否自发进行。

二、反应熵变与反应方向

1．熵

(1)概念：描述体系无序程度的一个物理量，符号为S，单位是J·mol－1·K－1。

(2)特点：体系无序程度越大，体系的熵值就越大。

(3)影响因素

①同一物质：S(高温)＞S(低温)，S(g)＞S(l)＞S(s)。

②不同物质：相同条件下不同物质具有不同的熵值，分子结构越复杂，熵值越大。

③S(混合物)＞S(纯净物)。

2．反应熵变

3．反应熵变与反应方向

(1)二者关系

(2)结论：不能仅用反应熵变来判断反应能否自发进行。

微点拨：              熵变正负的判断

(1)物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，熵变为正值，是熵增加的过程。

(2)气体体积增大的反应，熵变通常都是正值，是熵增加的反应。

(3)气体体积减小的反应，熵变通常都是负值，是熵减小的反应。

三、用焓变与熵变综合判断反应方向

1．综合判断

在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，化学反应的方向可以用反应的焓变和熵变来综合判断，判据为ΔH－TΔS。

(1)判断方法

(2)文字表述

在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，自发反应总是向着ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至达到平衡状态。

2．用ΔG＝ΔH－TΔS判断反应自发进行的可能性

注：假设反应的焓变、熵变不随温度的改变而变化。

3．ΔH－TΔS判据的局限性

(1)只能用于判断等温、等压条件下的反应，不能用于判断其他条件(如等温、等容)下的反应。

(2)只能用于判断等温、等压及除了体积功以外不做其他功条件下反应正向自发进行的趋势，并不能说明在该条件下可能正向自发进行的反应能否实际发生。

微点拨：在ΔH和ΔS确定的情况下，温度有可能对反应的方向起决定作用。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)CaCO3(s)高温,CaO(s)＋CO2(g)是一个熵减过程。(　　)

(2)－10 ℃的水结成冰，可用熵变的判据来解释该变化过程的自发性。(　　)

(3)吸热且熵增加的反应，温度越低反应越可能自发进行。(　　)

(4)由焓变和熵变组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程。(　　)

(5)一个反应的ΔH－TΔS＝0，则该反应处于平衡状态。(　　)

提示：(1)×　CaCO3分解反应是一个气体物质的量增多的反应，故为熵增过程。

(2)×　－10 ℃的水结成冰是一个熵减过程，该过程能自发进行，应用焓变的判据解释，即ΔH＜0是该过程自发进行的主要原因。

(3)×　当ΔH＞0、ΔS＞0，温度越高越可能使ΔH－TΔS＜0，即有利于反应自发进行。

(4)√　(5)√

2．水的三态的熵值的大小关系正确的是(　　)

A．S(s)＞S(l)＞S(g)　　 B．S(l)＞S(s)＞S(g)

C．S(g)＞S(l)＞S(s) D．S(g)＞S(s)＞S(l)

C　[熵是量度体系无序(或有序)程度的物理量。同一物质，S(g)＞S(l)＞S(s)。]

3．下列说法完全正确的是(　　)

A．自发进行的反应均是ΔH＜0的反应

B．ΔS为正值的反应均能自发进行

C．物质的量增加的反应，ΔS为正值

D．如果ΔH和ΔS均为正值，当温度升高时，反应可能自发进行

D　[有些吸热反应也可以自发进行，如(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)，故A错；熵变与反应的自发性有关，但不能独立地作为自发性的判据，故B错；物质的量增加的反应，其混乱度不一定增加，即ΔS不一定为正值，如2H2S(g)＋O2(g)===2H2O(g)＋2S(s)，故C错；当ΔH和ΔS均为正值时，升高温度ΔH－TΔS可能会小于0，所以反应可能自发进行，故D正确。]

化学反应方向的判断

(素养养成——变化观念与平衡思想)

以下过程均为自发反应或自发过程：

①甲烷燃烧：CH4(g)＋2O2(g)―→CO2(g)＋2H2O(g)

 ΔH＝－802.31 kJ·mol－1

②氢气与氧气反应：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)

 ΔH＝－571.6 kJ·mol－1

③钠与水反应：2Na(s)＋2H2O(l)===2NaOH(aq)＋H2(g)

 ΔH＝－368.0 kJ·mol－1

④硝酸铵溶于水要吸热。

⑤冰融化要吸热。

⑥两种或两种以上互不反应的气体通入一密闭容器中，最终会混合均匀。

1．对于自发反应①②③，从能量角度分析它们为什么可以自发？

提示：①②③这三个化学反应都是放热反应，ΔH＜0。

2．对于自发过程④⑤⑥，这些过程都是自发的，与焓有关吗？是什么因素决定它们能自发进行？

提示：与焓无关。熵是用于描述体系无序程度的物理量，熵变是用来描述无序程度变化的物理量，④⑤⑥与熵变有关，体系由有序转变为无序，ΔS＞0。

3．综合分析上述反应，得出判断化学反应方向的依据是什么？

提示：判断化学反应的方向，需综合考虑焓变和熵变。

1．放热和熵增加都对ΔH－TΔS＜0有所贡献，因此放热的熵增加反应一定能自发进行，吸热的熵减小反应一定不能自发进行。

2．当反应的焓变和熵变的影响相反，且二者大小相差悬殊时，某一因素可能占主导地位。

一般常温下自发进行的放热反应，焓变对反应方向起决定性作用。

一般常温下自发进行的吸热反应，熵变对反应方向起决定性作用。

3．ΔH与ΔS共同影响一个化学反应在一定条件下能否自发进行，它们与化学反应速率无关。

[知识拓展]

如果反应的焓变和熵变的影响相反且相差不大时，温度可能对反应的方向起决定性作用。

温度与反应方向的关系：

【例1】　某反应：A＋B===C在室温下能自发进行，在高温下不能自发进行，对该反应过程ΔH、ΔS的判断正确的是(　　)

A．ΔH＜0、ΔS＜0 B．ΔH＞0、ΔS＜0

C．ΔH＜0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＞0

A　[由ΔG＝ΔH－TΔS＜0反应自发进行知：ΔH＜0、ΔS＜0的反应在低温时自发进行；ΔH＞0、ΔS＜0的反应一定不能自发进行；ΔH＜0、ΔS＞0的反应一定能自发进行；ΔH＞0、ΔS＞0的反应在高温时自发进行。]

[借题发挥]

(1)若该反应在室温下不能自发进行，在高温下能自发进行，则该反应过程ΔH、ΔS的符号是怎样的？

(2)若A、B、C都是气体，而且该反应任何温度都不能自发进行，那么该反应是放热反应还是吸热反应？

[答案]　(1)ΔH＞0、ΔS＞0的反应在高温时自发进行。

(2)若A、B、C都是气体，该反应是熵减的反应，而且该反应任何温度都不能自发进行，那么该反应是吸热反应。

【例2】　工业上利用甲烷制取炭黑的反应是

①CH4(g)===C(s)＋2H2(g)

ΔH(298 K)＝＋74.848 kJ·mol－1

ΔS(298 K)＝＋80.674 J·mol－1·K－1

反应过程中容易发生副反应：

②2CH4(g)===C2H2(g)＋3H2(g)

ΔH(298 K)＝＋376.426 kJ·mol－1

ΔS(298 K)＝＋220.211 J·mol－1·K－1

下列有关说法中正确的是(　　)

A．反应①在常温下就可以自发进行

B．焓变是副反应②自发进行的决定因素

C．制取炭黑允许的最低温度是927.8 K

D．温度越高对制取炭黑越有利

C　[ΔH－TΔS＝74.848 kJ·mol－1－80.674×10－3 kJ·mol－1·K－1×298 K≈50.807 kJ·mol－1＞0，所以该反应常温下不自发进行，A错误；反应②是熵增加的吸热反应，熵变是决定该反应能否自发进行的因素，B错误；制取炭黑时，ΔH－TΔS＝74.848 kJ·mol－1－80.674×10－3 kJ·mol－1·K－1×T＜0，得T＞927.8 K，即制取炭黑的最低温度为927.8 K，C正确；温度过高时，可能会发生反应②，D错误。]

[借题发挥]

(1)C(s)＋2H2(g)===CH4(g)在常温常压下________(填“能”或“不能”)自发进行？

(2)由副反应②可知，制取乙炔的最低温度是__________________________。

[答案]　(1)能　(2)1 709.4 K

(1)在利用ΔH－TΔS作为判据判断反应方向时，给出ΔH的单位通常为

kJ·mol－1，ΔS的单位通常是J·mol－1·K－1，进行计算时应将二者的单位统一。

(2)利用ΔH、ΔS的符号和ΔH－TΔS进行推理，可以减少计算量。

1．在25 ℃、1.01×105 Pa下，反应2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1能自发进行的合理解释是(　　)

A．该反应是分解反应

B．该反应的熵增效应大于焓变效应

C．该反应是熵减反应

D．该反应是放热反应

B　[该反应是吸热反应，但不能只用焓变来判断反应进行的方向。该反应是熵增反应，且能够自发进行，说明该反应的熵增效应大于焓变效应，B项正确。]

2．对于平衡体系mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，下列结论正确的是(　　)

A．若此反应为放热反应，则该反应在任何条件下均可自发进行

B．若m＋n<p＋q，则此反应的ΔS＞0

C．若此反应的ΔH＞0、ΔS＜0，则该反应在任何条件下均可自发进行

D．无论m＋n与p＋q的大小关系如何，该反应过程均是熵增加的过程

B　[放热的熵增反应才能在任何条件下均可自发进行，A、C项错误；气体分子数增加，反应的ΔS＞0，故B项正确。]

1．实验证明，多数能自发进行的反应是放热反应。对此说法的理解正确的是

(　　)

A．所有的放热反应都是自发进行的

B．所有的自发反应都是放热的

C．焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素

D．焓变是决定反应是否具有自发性的唯一因素

C　[多数能自发进行的反应是放热反应，并不是所有自发进行的反应都是放热反应，如氯化铵与氢氧化钡的反应是自发进行的吸热反应，所以只能说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，C正确。]

2．下列生活中的自发过程能用熵变解释的是(　　)

A．自然界中水由高处往低处流

B．低于0 ℃时水变成冰

C．墨水滴到水中会扩散到整个水体

D．铁器暴露在潮湿的空气中会生锈并放出热量

C　[熵变在某种意义上可以理解为体系无序程度的变化，体系中微观粒子排列越有序，熵越小，越无序，熵越大。C项中墨水在水中扩散开是熵增加的过程。故选C项。]

3．下列有关说法错误的是(　　)

A．Na与H2O的反应是熵增加的放热反应，该反应能自发进行

B．已知某吸热反应能自发进行，则该反应一定是熵增加的反应

C．一个放热且熵增加的反应也有可能非自发进行

D．已知反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的ΔH<0

C　[Na与H2O的反应生成氢气，是一个熵增加的放热反应，则ΔH－TΔS＜0，反应可自发进行，A项正确；吸热反应的ΔH＞0，因ΔH－TΔS＜0的反应可自发进行，则该反应一定是熵增加反应，B项正确；一个放热且熵增加的反应，即ΔH－TΔS＜0，在任何温度下都能自发进行，C项错误；反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)的ΔS＜0，在室温下可自发进行，即ΔH－TΔS＜0，则该反应的ΔH＜0，D项正确。]

4．下列对化学反应方向的说法正确的是(　　)

A．反应2A(g)＋B(g)===3C(s)＋D(g)在一定条件下能自发进行，说明该反应的ΔH>0

B．常温下，反应2Na2SO3(s)＋O2(g)===2Na2SO4(s)能自发进行，则ΔH<0

C．反应2Mg(s)＋CO2(g)C(s)＋2MgO(s)在一定条件下能自发进行，则该反应的ΔH>0

D．一定温度下，反应2NaCl(s)===2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH<0，ΔS>0

B　[ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行。若反应的ΔS＜0，反应能自发进行，则ΔH＜0，A、C项错误，B项正确；2NaCl(s)===2Na(s)＋Cl2(g)属于分解反应，为吸热反应，ΔH>0，D项错误。]

5．(素养题)已知电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应为SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(l)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ·mol－1，ΔS(298.15 K)＝－75.8 J·mol－1·K－1，假设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行时的温度___________________________________________________________________。

[解析]　要使反应能够自发进行，则ΔH－TΔS＜0，即－94.0 kJ·mol－1－T×(－75.8 J·mol－1·K－1)×10－3kJ·J－1＜0，故T＜≈1 240 K。

[答案]　小于1 240 K