化学选择性必修1第1节 化学反应的方向学案设计

第1节　化学反应的方向

反应焓变与反应方向

1．能自发进行的化学反应多数是ΔH＜0的反应。

2．有些ΔH＞0的反应也能自发进行。

3．反应焓变不是决定反应能否自发进行的唯一因素。

反应熵变与反应方向

1．熵

(1)概念：描述体系无序程度的物理量，其符号为S，单位为J·mol－1·K－1。

(2)特点：熵值越大，体系的无序程度越大。

(3)影响因素

①同一物质的聚集状态：S(g)＞S(l)＞S(s)。

②物质的种类：相同条件下不同物质具有不同的熵值。

2．反应熵变

(1)概念：反应产物总熵与反应物总熵之差。

(2)计算式：ΔS＝∑S(反应产物)－∑S(反应物)。

(3)常见的熵变

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，是熵增加的过程。

②气体体积增大的反应，是熵增加的反应。

③气体体积减小的反应，是熵减小的反应。

3．熵变与反应方向

(1)熵增加有利于反应的自发进行。

(2)某些熵减小的反应在一定条件下也能自发进行。

(3)反应熵变是反应能否自发进行的因素之一，但不是唯一因素。

化学反应方向的复合判据

ΔH－TΔS与反应方向的关系

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ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至达到平衡状态，这就是化学反应的复合判据。

即

由此可知影响反应方向的因素有：ΔH、ΔS及T。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)放热反应一定能自发进行，吸热反应一定不能自发进行。(　　)

(2)熵增反应一定能自发进行，熵减反应一定不能自发进行。(　　)

(3)能够自发进行的反应一定容易发生，也一定能反应完全。(　　)

(4)对于ΔS＞0的反应，若在任何温度下均能自发进行，则该反应ΔH＞0。(　　)

(5)C(s)＋CO2(g)===2CO(g)，室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH>0。(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√

2．下列关于焓变和熵变的说法正确的是(　　)

A．化学反应的焓变与反应的方向有关，化学反应的熵变与反应的方向无关

B．化学反应的焓变直接决定了化学反应的方向，化学反应的熵变不能决定化学反应的方向

C．焓变为负的反应都能自发进行，熵变为正的反应也都能自发进行

D．化学反应的焓变和熵变都不是决定化学反应能否自发进行的唯一因素

答案　D

解析　一个反应的ΔH－TΔS<0则是自发的，可看出ΔH和ΔS都对反应有影响，不只是由单方面决定。

3．已知反应2CO(g)===2C(s)＋O2(g)的ΔH为正值，ΔS为负值。设ΔH和ΔS不随温度而变，下列说法中正确的是(　　)

A．低温下能自发进行

B．高温下能自发进行

C．低温下不能自发进行，高温下能自发进行

D．任何温度下都不能自发进行

答案　D

解析　因为ΔH>0，ΔS<0，故ΔH－TΔS>0，此反应在任何温度下都不能自发进行。

4．下列说法完全正确的是(　　)

A．放热反应均是自发反应

B．ΔS为正值的反应均是自发反应

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

答案　D

解析　焓判据、熵判据均不是反应能否自发进行的唯一判据，因此A、B说法均不正确；C应该是“气体物质的量增加的反应，ΔS为正值”；如果ΔH和ΔS均为正值，当温度升高时，ΔH－TΔS有可能小于零，因此反应可能自发进行是正确的。

5．下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是(　　)

A．化学反应的焓变与其反应的方向无关

B．化学反应的焓变直接决定了反应的方向

C．反应焓变为正值时不利于反应自发进行

D．焓变为负值的反应都能自发进行

答案　C

解析　可逆反应的两个反应其焓变的数值相等，但是符号(变化趋势)相反，A项错误；焓变对反应方向有直接影响，但不能决定反应进行的方向，B项错误；焓变为负值的反应多数能自发进行，但有的也不是自发反应，D项错误；焓变为正值，吸收热量，体系能量升高，不利于反应自发进行，C项正确。

6．反应2AB(g)===C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，反应后体系中物质的总能量升高，则该反应的ΔH、ΔS应为(　　)

A．ΔH<0，ΔS>0 B．ΔH<0，ΔS<0

C．ΔH>0，ΔS>0 D．ΔH>0，ΔS<0

答案　C

解析　该反应中气体的物质的量增加，ΔS>0。反应后体系中物质的总能量升高，说明正反应是吸热反应，ΔH>0。

探究　判断化学反应能否自发进行的方法

对于ΔH＜0、ΔS＞0的反应一定能自发进行；ΔH＞0、ΔS＜0反应一定不能自发进行；那么对于ΔH<0、ΔS＜0或ΔH＞0、ΔS＞0的反应如何判断呢？

根据反应过程中的ΔH、ΔS数值判断反应能否自发进行

(1)ΔH<0、ΔS>0时，一定有ΔH－TΔS<0，在任何温度下，反应均能自发进行。

(2)ΔH>0、ΔS<0时，两种因素的影响一致，使ΔH－TΔS>0，在任何温度下，反应都不能自发进行。

(3)ΔH>0、ΔS>0时，焓变因素不利于反应自发进行，而熵变因素有利于反应自发进行。若升高温度，则增加熵变因素的影响，甚至可以使熵变因素的影响超过焓变因素的影响，反应就可以自发进行了，即该类反应在高温下可自发进行，在低温下不能自发进行。

如：反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＝＋178.2 kJ·mol－1　ΔS＝＋169.6 J·mol－1·K－1，该反应在较低温度下不能自发进行，而在较高温度下能自发进行。

(4)ΔH<0、ΔS<0时，焓变因素有利于反应自发进行，而熵变因素不利于反应自发进行。若降低温度，会减小熵变因素的影响，可以使反应自发进行，即该类反应在低温下可自发进行，在高温下不能自发进行。

如：反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)　ΔH<0　ΔS<0，该反应在较低温度下能自发进行，而在较高温度下不能自发进行。

应用ΔH－TΔS判据时注意的问题

(1)温度与反应方向的关系

(2)化学反应方向与条件有关，不能随意将常温、常压下的结论用于其他温度、压强下。因此ΔH－TΔS这个判据只能用于一定温度、压强条件下的化学反应。

(3)判据ΔH－TΔS指的是在温度、压强一定的条件下反应自动发生的趋势，不能说明该条件下反应能否实际发生。如反应2C(s)＋O2(g)===2CO(g)的ΔH＜0、ΔS＞0，任何温度下都应自发，而常温下C(s)在空气中却很稳定，因此反应要进行还需引发。

(4)非自发的反应不一定不能发生，如：Cu＋H2SO4===CuSO4＋H2↑在通电作用下可发生。

1．下列反应可用焓判据来解释的是(　　)

A．氯化钠溶于水

B．2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)

ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1

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　焓判据能够说明多数能自发进行的化学反应为放热反应，而B、C中两个反应均为吸热反应，A中氯化钠溶解过程的焓变微乎其微，显然不能用焓判据来解释。只有D项可以用焓判据来解释。

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项错误；硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程，ΔS>0，可自发进行，B项正确；一个反应的ΔH>0、ΔS>0，根据二者的共同影响可知，高温时ΔH－TΔS<0，即高温条件下，反应能自发进行，C项错误；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项错误。

(1)把反应热ΔH的符号记反，即把放热反应记为“ΔH>0”，而把吸热反应记为“ΔH<0”。

(2)不能准确判断反应是熵增加还是熵减小，要记住同一物质的固、液、气三种状态的熵值依次增大。

(3)没有透彻理解只有“ΔH－TΔS<0”时反应才能自发进行，导致在ΔH、ΔS对反应影响相反的条件下，把温度的影响算错。

(4)ΔH与ΔS的单位没统一，不注意换算。

本课小结

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．下列说法正确的是(　　)

A．能自发进行的反应一定能迅速发生

B．非自发反应一定不能发生

C．能自发进行的反应也可能没有发生

D．常温下，2H2O2H2↑＋O2↑，即常温下水的分解反应是自发反应

答案　C

解析　反应能否自发进行与反应进行的快慢没有必然联系，能自发进行的反应不一定能迅速发生，A项错误；在一定条件下，非自发反应也可能发生，如常温下水的电解，B、D两项错误。

2．有关下列过程的熵变的判断不正确的是(　　)

A．固态碘升华：ΔS>0

B．碳和氧气反应生成CO(g)：ΔS>0

C．H2O(g)变成H2O(l)：ΔS>0

D．将散落的火柴规整地放入火柴盒：ΔS<0

答案　C

解析　一般来说，同一种物质，不同聚集状态，熵的大小关系为气态>液态>固态。H2O(g)变成H2O(l)，ΔS<0。

3．一定条件下发生反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，如图表示该反应过程中能量的变化。关于该反应，下列说法中正确的是(　　)

A．ΔH＞0，ΔS＞0 B．ΔH＜0，ΔS＜0

C．ΔH＞0，ΔS＜0 D．ΔH＜0，ΔS＞0

答案　B

解析　根据图中反应过程中能量变化的情况可知反应物的总能量高于反应产物的总能量，反应放热，ΔH<0，排除A、C两项。正反应为气体物质的量减小的反应，即为熵减小的反应，ΔS<0，故B项正确。

4．下列关于判断过程的方向的说法正确的是(　　)

A．自发反应在任何条件下都能实现

B．同一物质的固、液、气三种状态的熵值相同

C．高温高压下可以使石墨转化为金刚石是自发的化学反应

D．由能量判据和熵判据组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程

答案　D

解析　自发反应在恰当条件下才能实现，A项错误；同一物质的固、液、气三种状态的熵值递增，B项错误；石墨转化为金刚石不是自发过程，因该过程需外力完成，C项错误。

5．已知气体分子总数增多的反应通常是熵增加反应。一定条件下，下列反应不能自发进行的是(　　)

A．2O3(g)===3O2(g)　ΔH＜0

B．2CO(g)===2C(s)＋O2(g)　ΔH＞0

C．N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＜0

D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＞0

答案　B

解析　A项中反应是一个ΔH<0、ΔS>0的反应，则反应一定能自发进行；B项中反应是一个ΔH>0、ΔS<0的反应，则反应一定不能自发进行；C项中反应是一个ΔH<0、ΔS<0的反应，则反应在低温条件下能自发进行；D项中反应是一个ΔH>0、ΔS>0的反应，则反应在高温条件下能自发进行。

6．下列说法正确的是(　　)

A．ΔH＜0的反应均是自发反应

B．ΔS＜0的反应均不能自发进行

C．2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＜0　ΔS＞0，该反应一定能自发进行

D．MgCl2(l)===Mg(s)＋Cl2(g)　ΔH＞0　ΔS＞0，该反应一定不能自发进行

答案　C

解析　对于ΔH<0(放热)的反应，当ΔS<0时，ΔH－TΔS可能大于0，故可能为非自发反应，A项错误。对于ΔS<0(熵减小)的反应，当ΔH<0时，ΔH－TΔS可能小于0，故可能为自发反应，B项错误。在一定温度和压强下，ΔH<0，ΔS>0的反应一定能自发进行，C项正确。ΔH>0，ΔS>0的反应有可能自发进行，D项错误。

7．下列说法中正确的是(　　)

A．非自发反应在任何条件下都不能实现

B．自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减小或不变

C．凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的

D．熵增加且放热的反应一定是自发反应

答案　D

解析　非自发反应在一定条件下能实现自发进行，如ΔH>0，ΔS>0的反应高温下可以自发进行，低温下反应非自发进行，故A错误；ΔH－TΔS<0的反应能够自发进行，ΔH－TΔS>0的反应不能够自发进行，反应能否自发进行，决定于焓变和熵变两个因素，缺一不可，故B、C错误；熵增加且放热的反应，ΔH<0，ΔS>0，得到ΔH－TΔS<0，反应一定是自发反应，故D正确。

8．25 ℃、1.01×105 Pa时，反应2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋56.7 kJ/mol能自发进行，其原因是(　　)

A．该反应是吸热反应

B．该反应是放热反应

C．该反应是熵减小的反应

D．该反应的熵增效应大于能量效应

答案　D

解析　题给反应属于气体物质的量增大的反应，是熵增加反应；大多数能自发进行的化学反应是放热反应，但该反应是吸热反应，说明熵增效应大于能量效应。

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．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．1 ℃时冰变为水

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　BC

解析　水由高处往低处流是势能减小，用能量判据解释，A项错误；冰变水是熵增的吸热过程，焓判据不利自发，熵判据有利自发，B项正确；C项是混乱度增加的过程，即熵判据有利于自发，正确；D项是放热的熵减反应，焓判据有利自发，错误。

10．下列说法不正确的是(　　)

A．恒温恒压下，ΔH<0且ΔS>0的反应一定不能自发进行

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

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

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

答案　A

解析　恒温恒压下，ΔH<0且ΔS>0的反应ΔH－TΔS<0，在任何温度下都能自发进行，A项错误；同种物质S(s)<S(l)<S(g)，B项正确；NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)属于熵减小反应，且在室温下可自发进行，根据ΔH－TΔS<0判断，该反应为放热反应，ΔH<0，C项正确；CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)是吸热反应(ΔH>0)，也是熵增加(ΔS>0)的反应，只有升高温度才能使ΔH－TΔS<0，反应才能自发进行，D项正确。

11．下列有关反应进行方向的说法正确的是(　　)

A．常温下，放热反应一般能自发进行，吸热反应都不能自发进行

B．NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)　ΔH＝＋185.57 kJ·mol－1，能自发进行，原因是体系有自发向混乱度增大的方向转变的倾向

C．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是否自发进行的判据

D．在其他条件不变的情况下，使用催化剂可以改变化学反应进行的方向

答案　B

解析　常温下，有些熵增加的吸热反应可以自发进行，如碳酸氢铵的分解反应，A项错误；碳酸氢铵分解虽是吸热反应，但生成气体，属于熵增加的反应，B项正确；焓变和熵变都不是决定反应能否自发进行的唯一因素，应将熵变和焓变二者综合起来共同判断反应进行的方向，C项错误；使用催化剂只能降低反应的活化能，不能改变反应的方向，D项错误。

12．运用相关化学知识进行判断，下列结论错误的是(　　)

A．反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应

B．Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行

C．某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应

D．CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)　ΔH1＝＋218.4 kJ·mol－1，该反应能够自发进行的条件是低温

答案　AD

解析　A项中反应前后气体减少，所以该反应的ΔS<0，但该反应常温下可自发进行，故该反应为放热反应，A错误；钠与水反应有气体生成，是熵增加的放热反应，所以反应能自发进行，B正确；根据ΔH－TΔS<0可知，吸热的熵减小反应一定不能自发进行，若吸热反应能自发进行，则一定是熵增反应，C正确；由题给反应可知，该反应的ΔH>0、ΔS>0，结合ΔH－TΔS<0时反应才能自发进行，故需要高温，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．氢气可用于制备H2O2。已知：

H2(g)＋A(l)===B(l)　ΔH1

O2(g)＋B(l)===A(l)＋H2O2(l)　ΔH2

其中A、B为有机物，两反应均为自发反应，则H2(g)＋O2(g)===H2O2(l)的ΔH________0。(填“>”“<”或“＝”)

答案　＜

解析　题中的两个反应都是熵减的反应，由于两个反应均能自发进行，所以两个反应都是放热反应，即ΔH1<0、ΔH2<0。根据盖斯定律，将题中两个热化学方程式叠加得：H2(g)＋O2(g)===H2O2(l)　ΔH＝ΔH1＋ΔH2<0。

14．已知反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH(298 K)＝＋178.2 kJ·mol－1　ΔS(298 K)＝＋169.6 J·mol－1·K－1，则：

(1)该反应在室温下________(填“能”或“不能”)自发进行。

(2)根据题中所给数据进行分析，温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素。

(3)若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度为________K(假设反应焓变与熵变不随温度变化而变化，结果保留整数)。

答案　(1)不能　(2)能　(3)1051

解析　(1)该反应的ΔH－TΔS＝178.2 kJ·mol－1－298 K×169.6×10－3 kJ·mol－1·K－1≈127.7 kJ·mol－1>0，所以该反应在室温下不能自发进行。

(2)该反应的ΔH>0，ΔS>0，在低温时为非自发反应，但在高温时可自发进行，所以温度能成为反应方向的决定因素。

(3)由于该反应为吸热的熵增加反应，所以升高温度可使ΔH－TΔS<0，使反应能自发进行，即当T>＝≈1051 K时，ΔH－TΔS＜0，碳酸钙的分解反应能自发进行，即该反应自发进行的最低温度为1051 K。

15．已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个反应：①CH4(g)===C(s)＋2H2(g)，②2CH4(g)===C2H2(g)＋3H2(g)。某同学为了得到用CH4制取C的允许温度范围，在图书馆查到了如下热力学数据：

①的ΔH(298 K)＝＋74.848 kJ·mol－1，ΔS(298 K)＝＋80.674 J·mol－1·K－1

②的ΔH(298 K)＝＋376.426 kJ·mol－1，ΔS(298 K)＝＋220.211 J·mol－1·K－1

假设反应焓变与熵变不随温度变化而变化。请帮助这位同学考虑如下问题：

(1)反应②在________(填“高温”或“低温”)下能自发进行。

(2)反应①在常温下________(填“能”或“不能”)自发进行。

(3)制取C的允许温度范围为________(保留一位小数)。

答案　(1)高温　(2)不能　(3)927.8～1709.4 K

解析　(1)反应的ΔH－TΔS<0时才能自发进行，由于反应②的ΔH>0，ΔS>0，所以反应②应在高温下才能自发进行。

(2)反应①在常温时，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能自发进行。

(3)CH4反应生成C和H2时，ΔH－TΔS＝74.848 kJ·mol－1－80.674×10－3 kJ·mol－1·K－1×T<0，得T>927.8 K，即生成C的最低温度为927.8 K。CH4反应生成乙炔和H2时，ΔH－TΔS＝376.426 kJ·mol－1－220.211×10－3 kJ·mol－1·K－1×T<0，得T>1709.4 K，即温度高于1709.4 K时CH4自发反应生成乙炔和氢气。所以要制取C，温度应控制在927.8～1709.4 K。