2.3 化学反应的方向-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1学习手册（人教版）

学 第二章 化学反应速率与化学平衡 学 习 目 标 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. 能结合具体事例说明反应自发进行的 方向。 知 识 梳 理 知识点 1 自发过程与自发反应 有关化学反应进行的方向、 快慢和限度 是化学反应原理的三个重要组成部分。 科学 家根据体系存在着力图使自身能量趋于 “最 低” 和由 “有序” 变为 “无序” 的自然现 象， 提出了互相关联的焓判据和熵判据， 为 最终解决上述问题提供了必要的依据。 1. 自发过程 （ 1 ） 含义： 在温度和压强一定的条件下， 不 借助光、 电等外部力量就能自动进行的 过程。 （ 2 ） 特点 ① 体系趋向于从高能状态转变为低能状态 （体系对外部做功或者释放能量）。 ② 在密闭条件下， 体系有从有序自发转变为 无序的倾向。 （ 3 ） 生活中的自发过程 ① 自然界中的水由高处往低处流。 ② 生活中， 在室温下冰块会融化。 ③ 金属生锈、 可燃物的燃烧等。 2. 自发反应 在给定的条件下， 可以自发地进行到显 著程度的反应。 3. 自发反应与非自发反应 化学反应不借助外力就能发生的反应是 自发反应， 化学反应需要借助外力才能发生 的反应是非自发反应。 知识点 2 化学反应进行的方向判据 1. 焓判据 （能量判据） （ 1 ） 含义： 放热反应过程中体系能量降低， 因此具有自发进行的倾向， 科学家由此 提出用焓变来判断反应进行的方向， 这 就是焓判据。 （ 2 ） 自发反应与焓变的关系 多数放热反应能自发进行， 如在常温、 常 压下， 氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁的反应是 自发的， 反应放热： 4Fe （ OH ） 2 （ s ） ＋2H 2 O （ l ） ＋ 第三节 化学反应的方向 温馨提示 一般地 ， 如果一个过程是自发的 ， 则其逆过程在相同条件下就是非自发的。 如铁器暴露在潮湿的空气中会生锈是自 发的， 而铁锈变为铁在该条件下肯定不 是自发的。 温馨提示 自发过程可以是物理过程， 不一定 是自发反应 ， 而自发反应一定是自发 过程。 45 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） O 2 （ g ） 4Fe （ OH ） 3 （ s ） ΔH （ 298K ） ＝-444.3 kJ · mol －1 ； 有些吸热反应也能自发进行， 如 NH 4 HCO 3 （ s ） ＋CH 3 COOH （ aq ） CO 2 （ g ） ＋CH 3 COONH 4 （ aq ） ＋H 2 O （ l ） ΔH （ 298 K ） ＝＋37.30 kJ · mol -1 ； 有些吸 热反应， 在常温下不能自发进行， 但在较高温 度下， 能自发进行， 如 2N 2 O 5 （ g ） 4NO 2 （ g ） ＋O 2 （ g ） ΔH＝＋56.7 kJ · mol －1 。 （ 3 ） 结论： 焓变是影响反应自发进行的因素 之一， 但不是唯一因素。 2. 熵判据 （ 1 ） 熵 在密闭条件下， 体系有从有序自发转变 为无序的倾向， 这种推动体系变化的因素称 为熵。 熵是衡量一个体系混乱度的物理量， 符号为 S ， 单位为 J/ （ mol · K ）。 熵值越大 ， 体系的混乱度越大。 （ 2 ） 反应熵变 反应熵变即发生化学反应时物质熵的变 化， 符号为 ΔS 。 ΔS= 生成物总熵 - 反应物总 熵。 （ 3 ） 熵增加原理 ① 含义： 在与外界隔离的体系中， 自发过程 趋向于从有序转变为无序， 导致体系的熵 增加， 叫做熵增加原理， 也是判断反应方 向的熵判据。 ② 局限性： 少数熵减的反应在一定条件下 也可以自发进行， 如 NH 3 （ g ） ＋HCl （ g ） NH 4 Cl （ s ）。 ③ 结论： 熵变是影响反应自发进行的因素之 一， 但不是唯一因素。 3. 复合判据 事实告诉我们， 过程的自发性只能用于 判断过程的方向， 不能确定过程是否会发生 和过程发生的速率。 综合考虑焓判据和熵判 据的复合判据， 将更适合于所有的过程。 研究表明， 在温度、 压强一定的条件 下， 化学反应的方向是反应焓变和熵变共同 影响的结果。 当 ΔH－TΔS<0 时， 反应一定能 自发进行； 当 ΔH－TΔS>0 时， 反应一定不能 自发进行。 当 ΔH<0 ， ΔS>0 时， 反应能自发进行； 当 ΔH>0 ， ΔS<0 时， 反应不能自发进行； 当 ΔH>0 ， ΔS>0 ， 或 ΔH<0 ， ΔS<0 时， 反应是否自发进行与温度有关， 一般低温 时， 焓变影响为主； 高温时， 熵变影响为 主。 上述关系可用如下坐标表示： 温馨提示 （ 1 ） 同一条件下， 不同的物质熵值不同。 （ 2 ） 同一物质的熵值与其存在的状态有 关， 对同一物质而言： S （ g ） >S （ l ） > S （ s ）。 （ 3 ） 与物质的量有关， 物质的量越大 ， 分子数越多， 熵值越大。 ΔH<0 ΔS>0 所有温度下反应 都能自发进行 ΔH>0 ΔS>0 高温下反应 能自发进行 ΔH ΔS ΔH<0 ΔS<0 低温下反应 能自发进行 ΔH>0 ΔS<0 所有温度下反应 都不能自发进行 46 学 第二章 化学反应速率与化学平衡 要 点 精 析 要点 1 对自发过程与自发反应的理解 典例 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 解析： 在一定条件下， 不用借助外力即可自 发进行的过程为自发过程， 所以自发过程也 是需要特定的条件， A 、 B 两项错误； 可逆 反应在不同的条件下， 可以向不同方向自发 进行， C 项正确； 改变条件， 可以使非自发 过程转变为自发过程， D 项错误。 答案： C 变式训练 1 下列反应不可能自发进行的是 （ ） A. N 2 （ g ） +3H 2 （ g ） 2NH 3 （ g ） ΔH＜0 B. CaCO 3 （ s ） CaO （ s ） +CO 2 （ g ） ΔH＞0 C. 2O 3 （ g ） 3O 2 （ g ） ΔH＜0 D. 2CO （ g ） 2C （ s ） +O 2 （ g ） ΔH＞0 要点 2 对熵变的理解 典例 2 下列变化中， ΔS<0 的是 （ ） A. 2NO 2 （ g ） N 2 O 4 （ g ） B. H 2 （ g ） +F 2 （ g ） 2HF （ g ） C. 2IBr （ l ） I 2 （ s ） +Br 2 （ g ） D. （ NH 4 ） 2 CO 3 （ s ） 2NH 3 （ g ） +CO 2 （ g ） +2H 2 O （ g ） 解析： 常见的熵增过程有固体的溶解、 气 体的扩散、 水的汽化过程等。 常见的熵增 加的反应有产生气体的反应、 气体物质的 量增大的反应。 答案： A 变式训练 2 下列反应中熵显著增加的是 （ ） A. 2N 2 O 5 （ g ） 4NO 2 （ g ） +O 2 （ g ） B. Cu （ s ） +Cl 2 （ g ） CuCl 2 （ s ） C. C （ s ） +O 2 （ g ） CO 2 （ g ） D. 2H 2 （ g ） +O 2 （ g ） 2H 2 O （ l ） 要点 3 对复合判据的理解 典例 3 25℃ 、 1.01×10 5 Pa 下， 反应 2N 2 O 5 （ g ） 4NO 2 （ g ） ＋O 2 （ g ） ΔH＝＋56.7 kJ/mol 能自发 进行的合理解释是 （ ） A. 该反应是分解反应 B. 该反应是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 解析： 该反应是吸热反应。 不能只用焓判据 来判断反应进行的方向， 该反应过程中熵增 大， 是熵增反应。 该反应能够自发进行， 说 明该反应的熵增效应大于焓变效应。 答案： B 变式训练 3 已知 298 K 时反应 2Al 2 O 3 （ s ） +3C （ s ） 4Al （ s ） +3CO 2 （ g ）的 ΔH=+2171 kJ · mol -1 ， ΔS=+635.5 J · mol -1 · K -1 ， 则此反应 （ ） 47 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） A. 高温下可自发进行 B. 任何条件下都可自发进行 C. 任何条件下都不可自发进行 D. 低温下可自发进行 典例 4 （ 1 ） 化学反应： CaCO 3 （ s ） CaO （ s ） ＋CO 2 （ g ） ΔH （ 298 K ） ＝＋178.2 kJ · mol －1 ， ΔS （ 298 K ） ＝＋169.6 J · mol －1 · K －1 ， 要自发进行 ， 温度 T 应高于 K 。 （ 2 ） 化学反应 2NO （ g ） ＋2CO （ g ） N 2 （ g ） ＋ 2CO 2 （ g ） ， 在 298 K 、 100 kPa 下 ， ΔH＝ －113.0 kJ · mol －1 ， ΔS＝ －145.3 J · mol －1 · K －1 ， 该反应在常温下 （填 “能” 或 “不 能”） 自发进行。 （ 3 ） 求反应 2HCl （ g ） H 2 （ g ） ＋Cl 2 （ g ） 的熵 变。 已知： HCl （ g ） 的 S＝＋186.6 J · K －1 · mol －1 ， H 2 （ g ） 的 S＝＋130 J · K －1 · mol －1 ， Cl 2 （ g ）的 S＝ ＋223 J · K －1 · mol －1 ， ΔS＝ 。 解析 ： （ 1 ） 当 ΔH －TΔS ＝0 时 ， T ＝ ΔH ΔS = 178.2 kJ/mol 169.6×10 -3 kJ/mol · K ＝1050.7 K ， 故 当 T > 1050.7 K 时， ΔH－TΔS<0 ， 反应才能自发进 行。 （ 2 ） 298 K 时 ， ΔH －TΔS ＝－113.0 kJ/mol － 298 K× ［ －145.3×10 －3 kJ/ （ mol · K ）］ ＝－69.7 kJ/mol <0 ， 因此常温下反应能自发进行。 （ 3 ） ΔS＝＋130 J/ （ mol · K ） ＋223 J/ （ mol · K ） －2×186.6 J/ （ mol · K ） ＝－20.2 J/ （ mol · K ）。 答案： （ 1 ） 1050.7 （ 2 ） 能 （ 3 ） －20.2 J/ （ mol · K ） 变式训练答案 1. D 2. A 3. A 48