2.3 化学反应的方向(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修第一册（人教版2019）

第三节　化学反应的方向 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.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。 2.能认识到焓判据和熵判据的局限性，能用复合判据分析和解决化学问题。 （见学生用书P50） 1　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： 化学反应 ΔH 能否自 发进行 H2（g）＋O2（g）H2O（l） Zn（s）＋CuSO4（aq） ZnSO4（aq）＋Cu（s） 　􀀁＜　0 　􀀂能　 2N2O5（g）4NO2（g）＋O2（g） NaHCO3（s）＋HCl（aq）NaCl（aq）＋CO2（g）＋H2O（l） 　􀀃＞　0 　􀀄能　 （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）　⑩＞　S（s）。 （2）熵增：体系有自发地向混乱度　⑪增加　（即熵增，ΔS　⑫＞　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： 化学反应 ΔS 能否自 发进行 Zn（s）＋H2SO4（aq） ZnSO4（aq）＋H2（g） 2KClO3（s）2KCl（s）＋3O2（g） 　⑬＞　0 　⑭能　 2NO（g）＋2CO（g）N2（g）＋2CO2（g） 4Fe（OH）2（s）＋O2（g）＋ 2H2O（l）4Fe（OH）3（s） 　⑮＜　0 　⑯能　 （4）自发反应与熵变的关系： 大多数　⑰熵增　的反应可以自发进行，但有些　⑱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。 2　自由能与化学反应的方向 1.自由能 符号为　⑲ΔG　，单位为　⑳kJ/mol　；公式为　㉑ΔG＝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　㉒减小　的方向进行，直到体系达到平衡： （1）ΔG＜0，反应　㉓能　自发进行； （2）ΔG＝0，反应　㉔处于平衡状态　； （3）ΔG＞0，反应　㉕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。（　×　） 　 名师提醒 （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。 （见学生用书P51） 1　反应的自发性 1.已知：2H2＋O22H2O，2NH4Cl＋Ba（OH）2·8H2OBaCl2＋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？ （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。 2　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？ （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.利用自由能公式计算反应自发进行的最低温度 若题目提供了ΔH和ΔS的数据，可利用ΔG＝ΔH－TΔS＜0，来计算反应自发进行的最低温度。 计算时要注意以下两点： （1）给出的ΔH的单位通常为kJ/mol，ΔS的单位通常为J/（mol·K），进行计算时要将二者的单位统一，即将ΔS的单位换算为kJ/（mol·K）或将ΔH的单位换算为J/mol，再代入数值进行计算。 （2）温度用绝对温度K，而不能用℃ ，其中T＝（273＋t）K。 【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】焦炭常用于冶炼工业。已知反应①：2C（s）＋O2（g）2CO（g）；反应②：2CO（g）＋O2（g）2CO2（g），反应①、②的反应趋势与温度关系如图所示。下列说法错误的是（　　） A.反应②2CO（g）＋O2（g）2CO2（g）的ΔS＜0，ΔH＜0 B.983 K是两个反应主次趋势变化的转折点 C. L1对应反应① D.当温度低于983 K时，过量焦炭的氧化产物以反应②生成CO2为主 答案　C　 解析　生成物气体化学计量数系数之和小于反应物气体化学计量系数之和，所以ΔS＜0，则－TΔS＞0，根据ΔG＝ΔH－TΔS，因为能满足ΔG＜0，所以ΔH＜0，A项正确；ΔG越小，说明它能够反应的趋势更大，983 K时两反应的ΔG相等，之后两反应的ΔG大小关系发生变化，则反应主次趋势发生变化，所以983 K是反应趋势变化的转折点，B项正确；反应①的ΔS＞0，则－ΔS＜0，ΔG和T成反比，所以斜率小于0，L2对应反应①，C项错误；当温度低于983 K时，L1的ΔG更小，所以以反应②为主，产物以CO2为主，D项正确。 （见学生用书P53） 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.（化学反应方向的判断）已知FeO（s） ＋C（s） CO（g） ＋ Fe（s） ΔH＞0，下列叙述正确的是（　　） A.低温下为自发过程，高温下为非自发过程 B.任何温度下为非自发过程 C.高温下为自发过程，低温下为非自发过程 D.任何温度下为自发过程 答案　C　 解析　ΔH－TΔS ＜0时，反应能自反进行，ΔH＞0，ΔS＞0，只有高温时，才能保证ΔH－TΔS＜0，即高温下该反应为自发过程，低温下该反应为非自发进行，C符合题意。 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 学科网（北京）股份有限公司 $$