2.3 化学反应的方向 讲义-2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

化学反应原理 第五讲 化学反应的方向（答案） 考点清单 考点1、自发过程和自发反应 考点2、焓判据 考点3、熵判据 考点4、综合判据：吉布斯自由能变化量 考点5、ΔG的相关计算 考点6、溶解过程的熵变 考点1、自发过程和自发反应 1．自发过程 （1）含义：在一定条件下，不用借助外力，就能自发进行的过程。 （2）特征：具有方向性，即过程的某个方向在一定条件下自发进行，而该过程逆方向在该条件下肯定不能自发进行。 （3）举例：高山流水，自由落体，冰雪融化，电流总是从电势高的地方向电电势低的地方流动，钢铁生锈。 2．自发反应 （1）含义：在温度和压强一定的条件下无需借助外力就能自发进行的反应称为自发反应。 【注】持续通电、持续光照属于外力，温度、压强、催化剂不属于外力。 （2）特点： ①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系释放热量)。 ②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。 （3）举例：钢铁生锈，Zn与CuSO4溶液反应生成Cu。 3、自发过程和自发反应的比较 自发过程 自发反应 含义 在一定条件下， 不用借助外力 ，就能自发进行的过程。 在给定的条件下，可以 自发 进行到显著程度的化学反应。 特征 具有 方向性 ，即过程的某个方向在一定条件下自发进行，而该过程逆方向在该条件下肯定不能自发进行 。 举例 高山流水，自由落体，冰雪融化 钢铁生锈 应用 可被用来完成有用功。如H2燃烧可设计成 原电池 。 非自发过程要想发生，必须对它做功。如通电将水分解为 H2和O2 。 【易错提醒】 ①自发过程可以是物理过程，不一定是处自发反应，而自发反应一定是自发过程。 ②发反应与反应条件没有必然联系。如许多自发反应在常温常压下就能进行，但有些自发反应在常温常压下就不能进行，如酒精的燃烧就要点燃引发反应，一旦反应后即可自发进行。 ③一般地，如果一个过程是自发的，其逆过程在相同条件下就是非自发的。 ④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。 ⑤判断某反应是否自发，只是判断反应的方向（热力学问题），与反应的快慢（动力学问题）无关。 【例1】判断正误 (1)自发反应不需任何条件就能发生(　×　) (2)能自发进行的反应，反应速率一定很大(　×　) 考点2、焓判据 1.焓判据 【问题】下列反应在一定条件下都能自发进行，这些反应能自发进行的主要原因是什么？ 焓判据的定义：放热反应过程中体系能量 降低 ，因此具有 自发 进行的倾向，科学家提出用 焓变 来判断反应进行的方向，这就是 焓判据 。 2.焓判据的局限性 【问题】为什么有些吸热反应能自发进行？ 焓判据的局限性：有些吸热反应也可以自发进行，说明只用焓判据判断反应是否自发是不全面的。 考点3、熵判据 【问题】下列反应都是常温常压下的自发反应，能得出什么结论？ 以上自发反应是增体反应或生成气体(相当于增体)，实质是混乱度增加。 熵判据的定义：体系有自发地向混乱度增加(即熵增)的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。 1．熵、熵变的概念 （1）熵：衡量体系混乱程度的物理量，符号为S,单位为：J·mol－1·K－1。 （2）熵变：生成物与反应物熵值之差，符号为△S。 2．熵值大小 （1）体系的熵值：体系的混乱程度越大，体系的熵值就越大。 （2）同一物质的熵值：S(g)＞S(l)＞S(s)，同一物质的物质的量越大，分子数越多，熵值越大；同一条件下，不同物质的熵值不同。 （3）同一条件下，不同的物质熵值不同 表1 常见物质的标准熵 【重点突破1】物质的熵值大小比较时需考虑的因素：①状态②物质的量③原子数④温度 【重点突破2】化学反应的熵变正、负的判断 （1）气体体积增大的反应，熵变通常都是正值，是熵增反应。 （2）气体体积减小的反应，熵变通常都是负值，是熵减反应。 【例2】判断下列反应的焓变和熵变：C(石墨,s)→C(金刚石,s) ΔH > 0，ΔS < 0 【例3】 【答案】C 3. 熵判据的局限性 【问题】为什么有些熵减的反应（ΔS<0）也可以自发进行？ 熵判据的局限性：有些熵减的反应也可以自发进行，说明只用熵判据判断反应是否自发是不全面的。 考点4、综合判据：吉布斯自由能变化量 1．自由能变化：符号为ΔG，单位为kJ·mol－1。 2．自由能变化与焓变、熵变的关系：ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不仅与焓变、熵变有关，还与温度有关。 3．反应方向与自由能的关系 （1）化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡。 ①当ΔG＜0时，反应能自发进行； ②当ΔG＝0时，反应处于平衡状态； ③当ΔG＞0时，反应不能自发进行。 （2）温度对化学反应自发性的影响 ①△H＜0，△S＞0：在任何温度时都能够自发进行 ②△H＞0，△S＜0：在任何温度时都不能自发进行 ③△H＜0，△S＜0：低温自发 ④△H＞0，△S＞0：高温自发 【小技巧】大大高，小小低；两个好条件(放热，熵增)一定自发，两个坏条件(吸热，熵减)一定非自发。 【例4】某反应2AB(g)C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为( C ) A.ΔH＜0、ΔS＞0 B.ΔH＜0、ΔS＜0 C.ΔH＞0、ΔS＞0 D.ΔH＞0、ΔS＜0 【例5】下列判断正确的是( A ) A.一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔH<0 B.反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应 C.反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的ΔH<0，ΔS >0 D.2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH >0 【例6】研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是(　D　) A．ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行 B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应的方向 C．反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0 D．高温下，反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)能自发进行，则其ΔH>0、ΔS>0 考点5、ΔG的相关计算 类型一：先计算ΔH、ΔS，再代入△G=△H－T△S 注意统一单位： △G的单位为：kJ·mol－1 △S的单位为：J·mol－1·K－1 △H的单位为：kJ·mol－1 T的单位为：K 解题步骤 ①将△H→J·mol－1 ②将→K ③计算△G(J·mol－1)→kJ·mol－1 类型二：反应自发进行的最低或最高温度的计算 先计算ΔH、ΔS，再代入△G=△H－T△S≤0 ①若△S＞0，则T ≥ ，为最低温度 ②若△S＜0，则T ≤ ，为最高温度 【例7】灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知：在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2 180.9 J·mol－1，ΔS＝－6.61 J·mol－1·K－1)(　　) A．会变成灰锡 B．不会变成灰锡 C．不能确定 D．升高温度才会变成灰锡 【例8】已知一个可逆反应，若正反应为自发过程，则其逆反应为非自发过程，反之，亦然。 (1)已知2CO(g)CO2(g)＋C(s)，T＝980 K时，ΔH－TΔS＝0。 当体系温度低于980 K时，估计ΔH－TΔS____小于____(填“大于”“小于”或“等于”，下同)0； 当体系温度高于980 K时，估计ΔH－TΔS___大于_____0。 (2)电子工业中清洗硅片上SiO2(s)的反应为SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(g)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ·mol－1、ΔS(298.15 K)＝－75.8 J·mol－1·K－1，设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行的温度范围是___T<1240K_____。 【例9】工业上，常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣(主要成分为TiO2)为原料生产TiCl4，相应的化学方程式为 Ⅰ.TiO2(s)＋2Cl2(g)TiCl4(g)＋O2(g)　ΔHⅠ＝＋181 kJ·mol－1，KⅠ＝3.4×10－29 Ⅱ.2C(s)＋O2(g)2CO(g)　ΔHⅡ＝－221 kJ·mol－1，KⅡ＝1.2×1048 结合数据说明氯化过程中加碳的理由： 反应I+II， TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH＝－40 kJ·mol－1 K=4.08×1019 K>>KI ;反应II为反应I提供能量 【例10】光催化是新发展的一个催化技术，TiO2是目前研究成功的应用广泛的光催化剂，它是由金红石矿(主要成分为TiO2)先制备为TiCl4，再转化为纯TiO2。 物种 TiO2(s) TiCl4(g) Cl2(g) O2(g) C(s) CO(g) Δr /kJ∙molˉ1 –944.7 –763.2 0 0 0 –110.5 /J∙molˉ1∙Kˉ1 55.02 354.9 223.1 205.1 5.74 197.7 请根据表中数据作答： （1）计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) 298K的Δrm和Δrm，该反应能否正向进行 ？ （2）计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) 298K的Δrm和Δrm，则反应正向进行的最低温度为 ？ （3）计算反应2C(s) + O2(g) = 2CO(g) 298K的Δrm和Δrm，并判据反应在298K进行的方向 。 （4）为得到纯的TiCl4，有人设计如下方案：TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) = TiCl4(g ) + 2CO(g)。计算该反应298K的Δrm和Δrm，并判据反应进行的方向 。 【答案】（1）TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) Δr = (–763.2+0)–(–944.7+20)= 181.5 kJ∙molˉ1 Δr = (354.9+205.1)–(55.02+2223.1)= 58.78 J∙molˉ1∙Kˉ1 Δr=Δr–TΔr= 181.5–29858.78 = 163983.56 J∙molˉ1 = 163.98 kJ∙molˉ1＞0 反应正向不能进行 （2）由（1）得 Δr = 181.5 kJ∙molˉ1 Δr = 58.78 J∙molˉ1∙Kˉ1 Δr=Δr–TΔr T > = =3087.8 K 3088K或2790℃ （3）2C(s) + O2(g) = 2CO(g) Δr = (2–110.5)–(20+0)= –221 kJ∙molˉ1 Δr = (2197.7)–(25.74+205.1)= 178.82 J∙molˉ1∙Kˉ1 Δr=Δr–TΔr = –221–298178.82 = –274288.36 J∙molˉ1 = –274.29 kJ∙molˉ1 ＜0   反应正向能进行 （4） TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) = TiCl4(g ) + 2CO(g) Δr = (–763.2+2–110.5)–(–944.7+20+20)= –39.5 kJ∙molˉ1 Δr = (354.9+2197.7)–(55.02+2223.1+25.74)= 237.6 J∙molˉ1∙Kˉ1 Δr =Δr–TΔr = –39.5–298237.6= –110304.8 J∙molˉ1= –110.3 kJ∙molˉ1＜0   反应正向能进行 考点6、溶解过程的熵变 ΔH：NH4Cl溶于水吸热，NaOH、CaCl2溶于水放热 ΔS：NH4Cl溶于水熵增，NaOH、CaCl2溶于水熵减 【例11】（2022浙江化学选考）答案D 学科网（北京）股份有限公司第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$ 化学反应原理 第五讲 化学反应的方向（学案） 考点清单 考点1、自发过程和自发反应 考点2、焓判据 考点3、熵判据 考点4、综合判据：吉布斯自由能变化量 考点5、ΔG的相关计算 考点6、【拓展】溶解过程的熵变 考点1、自发过程和自发反应 1．自发过程 （1）含义：在一定条件下， ，就能自发进行的过程。 （2）特征：具有 ，即过程的某个方向在一定条件下自发进行，而该过程逆方向在该条件下肯定 。 （3）举例：高山流水，自由落体，冰雪融化，电流总是从电势高的地方向电电势低的地方流动，钢铁生锈。 2．自发反应 （1）含义：在温度和压强一定的条件下 就能自发进行的 称为自发反应。 【注】 属于外力， 不属于外力。 （2）特点： ①体系趋向于从 状态转变为 状态(体系 热量)。 ②在密闭条件下，体系有从 转变为 的倾向性(无序体系更加稳定)。 （3）举例：钢铁生锈，Zn与CuSO4溶液反应生成Cu。 3、自发过程和自发反应的比较 自发过程 自发反应 含义 在一定条件下， ，就能自发进行的过程。 在给定的条件下，可以 进行到显著程度的化学反应。 特征 具有 ，即过程的某个方向在一定条件下自发进行，而该过程逆方向在该条件下肯定 。 举例 高山流水，自由落体，冰雪融化 钢铁生锈 应用 可被用来完成有用功。如H2燃烧可设计成 。 非自发过程要想发生，必须对它做功。如通电将水分解为 。 【易错提醒】 ①自发过程可以是物理过程，不一定是处自发反应，而自发反应一定是自发过程。 ②发反应与反应条件 。如许多自发反应在常温常压下就能进行，但有些自发反应在常温常压下就不能进行，如酒精的燃烧就要点燃引发反应，一旦反应后即可自发进行。 ③一般地，如果一个过程是自发的，其逆过程在相同条件下就是非自发的。 ④自发反应和非自发反应是可能 的，某一条件下的自发反应可能在另一条件下就是 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。 ⑤判断某反应是否自发，只是判断反应的方向（热力学问题），与反应的快慢（动力学问题）无关。 【例1】判断正误 (1)自发反应不需任何条件就能发生(　 　) (2)能自发进行的反应，反应速率一定很大(　 　) 考点2、焓判据 1.焓判据 【问题】下列反应在一定条件下都能自发进行，这些反应能自发进行的主要原因是什么？ 焓判据的定义：放热反应过程中体系能量 ，因此具有 进行的倾向，科学家提出用 来判断反应进行的方向，这就是 。 2.焓判据的局限性 【问题】为什么有些吸热反应能自发进行？ 焓判据的局限性：有些吸热反应也可以 进行，说明只用焓判据判断反应是否自发 。 考点3、熵判据 【问题】下列反应都是常温常压下的自发反应，能得出什么结论？ 以上自发反应是增体反应或生成气体(相当于增体)，实质是混乱度增加。 熵判据的定义：体系有自发地向 的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。 1．熵、熵变的概念 （1）熵：衡量体系 的物理量，符号为 ,单位为： 。 （2）熵变：生成物与反应物熵值之 ，符号为 。 2．熵值大小 （1）体系的熵值：体系的 越大，体系的熵值就 。 （2）同一物质的熵值：S(g) S(l) S(s)，同一物质的物质的量越大，分子数越多，熵值越大；同一条件下，不同物质的熵值不同。 （3）同一条件下，不同的物质熵值 表1 常见物质的标准熵 【重点突破1】物质的熵值大小比较时需考虑的因素：① ② ③ ④ 【重点突破2】化学反应的熵变正、负的判断 （2）气体体积 的反应，熵变通常都是 ，是 反应。 （3）气体体积 的反应，熵变通常都是 ，是 反应。 【例2】判断下列反应的焓变和熵变：C(石墨,s)→C(金刚石,s) ΔH 0，ΔS 0 【例3】 3. 熵判据的局限性 【问题】为什么有些熵减的反应（ΔS<0）也可以自发进行？ 熵判据的局限性：有些熵减的反应也可以 进行，说明只用熵判据判断反应是否自发 。 考点4、综合判据：吉布斯自由能变化量 1．自由能变化：符号为 ，单位为 。 2．自由能变化与焓变、熵变的关系：ΔG＝ 。ΔG不仅与 有关，还与 有关。 3．反应方向与自由能的关系 （1）化学反应总是向着 的方向进行，直到体系达到 。 ①当ΔG＜0时，反应 ； ②当ΔG＝0时，反应 ； ③当ΔG＞0时，反应 。 （2）温度对化学反应自发性的影响 ①△H＜0，△S＞0：在任何温度时都 自发进行 ②△H＞0，△S＜0：在任何温度时都 自发进行 ③△H＜0，△S＜0： 自发 ④△H＞0，△S＞0： 自发 【小技巧】 【例4】某反应2AB(g)C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为( ) A.ΔH＜0、ΔS＞0 B.ΔH＜0、ΔS＜0 C.ΔH＞0、ΔS＞0 D.ΔH＞0、ΔS＜0 【例5】下列判断正确的是( ) A.一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔH<0 B.反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应 C.反应N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的ΔH<0，ΔS >0 D.2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH >0 【例6】研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是(　 　) A．ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行 B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应的方向 C．反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0 D．高温下，反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)能自发进行，则其ΔH>0、ΔS>0 考点5、ΔG的相关计算 类型一：先计算ΔH、ΔS，再代入△G=△H－T△S 注意统一单位： △G的单位为： △S的单位为： △H的单位为： T的单位为： 解题步骤 ① ② ③ 类型二：反应自发进行的最低或最高温度的计算 先计算ΔH、ΔS，再代入△G=△H－T△S≤0 ①若△S＞0，则T ，为 温度 ②若△S＜0，则T ，为 温度 【例7】灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知：在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2 180.9 J·mol－1，ΔS＝－6.61 J·mol－1·K－1)(　 　) A．会变成灰锡 B．不会变成灰锡 C．不能确定 D．升高温度才会变成灰锡 【例8】已知一个可逆反应，若正反应为自发过程，则其逆反应为非自发过程，反之，亦然。 (1)已知2CO(g)CO2(g)＋C(s)，T＝980 K时，ΔH－TΔS＝0。 当体系温度低于980 K时，估计ΔH－TΔS________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)0； 当体系温度高于980 K时，估计ΔH－TΔS________0。 (2)电子工业中清洗硅片上SiO2(s)的反应为SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(g)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ·mol－1、ΔS(298.15 K)＝－75.8 J·mol－1·K－1，设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行的温度范围是________。 【例9】工业上，常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣(主要成分为TiO2)为原料生产TiCl4，相应的化学方程式为 Ⅰ.TiO2(s)＋2Cl2(g)TiCl4(g)＋O2(g)　ΔHⅠ＝＋181 kJ·mol－1，KⅠ＝3.4×10－29 Ⅱ.2C(s)＋O2(g)2CO(g)　ΔHⅡ＝－221 kJ·mol－1，KⅡ＝1.2×1048 结合数据说明氯化过程中加碳的理由： 【例10】光催化是新发展的一个催化技术，TiO2是目前研究成功的应用广泛的光催化剂，它是由金红石矿(主要成分为TiO2)先制备为TiCl4，再转化为纯TiO2。 物种 TiO2(s) TiCl4(g) Cl2(g) O2(g) C(s) CO(g) Δr /kJ∙molˉ1 –944.7 –763.2 0 0 0 –110.5 /J∙molˉ1∙Kˉ1 55.02 354.9 223.1 205.1 5.74 197.7 请根据表中数据作答： （1）计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) 298K的Δrm和Δrm，该反应能否正向进行 ？ （2）计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) 298K的Δrm和Δrm，则反应正向进行的最低温度为 ？ （3）计算反应2C(s) + O2(g) = 2CO(g) 298K的Δrm和Δrm，并判据反应在298K进行的方向 。 （4）为得到纯的TiCl4，有人设计如下方案：TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) = TiCl4(g ) + 2CO(g)。计算该反应298K的Δrm和Δrm，并判据反应进行的方向 。 考点6、【拓展】溶解过程的熵变 ΔH：NH4Cl溶于水 ，NaOH、CaCl2溶于水 ΔS：NH4Cl溶于水 ，NaOH、CaCl2溶于水 【例11】（2022浙江化学选考） 学科网（北京）股份有限公司第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$