内容正文:
第三节 化学反应的方向
· 导入
自然界中有一些过程是自发进行的,而且是有方向性的。例如,水总是自发地从高处流向低处(如图2.3-1),而相反的过程却不能自发进行。有些化学反应也是自发进行的,而且具有方向性。那么,如何判断化学反应自发进行的方向呢?
图2.3-1 水总是自发地从高处流向低处
知识1 自发过程和自发反应☆
项目
内容
自发过程
在一定条件下,不用借助外力,就能自发进行的过程。如:高山流水,自由落体,冰雪融化。
特点
(1)能量角度: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热量)。
(2)混乱度角度:在密闭条件下,体系有从有序自发转变为无序的倾向。
(3)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。
自发反应
在给定条件下,可以自发地进行到显著程度的化学反应。如:钢铁生锈。
举例:实验发现,大多数放热反应是可以自发进行的。例如,下列反应:
H2(g)+O2(g)===H2O(l) △H=-285.8kJ/mol
Zn(s)+CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)+Cu(s) △H=-216.8kJ/mol
非自发反应
不能自发的进行,必须借助某种外力才能进行的反应成为非自发反应。
知识2 焓判据☆
项目
内容
理解
(1)能自发进行的反应多数是放热反应,△H<0。
(2)有些吸热反应在室温下能自发进行,还有一些吸热反应能够自发进行。
(3)ΔH<0有利于反应自发进行,但自发反应不一定要△H<0。因此,焓变只是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。
说明:吸热反应也可以自发进行,例如,通过实验知道Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热的,但是这个反应确实可以自发进行的。又如:
2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) △H=+109.8kJ/mol
NaHCO3(s)+HCl(aq)===NaCl(aq)+CO2(g)+H2O(l) △H=+31.4kJ/mol
· 例题
考点:化学反应的自发过程(共8小题)
1.(2025秋•黑龙江校级期末)甲醇是重要的化工原料,用水煤气制备甲醇的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)ΔH=﹣90kJ•mol﹣1。下列关于该反应的自发情况描述正确的是( )
A.高温自发 B.低温自发
C.任意温度都自发 D.任意温度都不自发
【答案】B
【解答】解:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)该反应ΔH=﹣90kJ•mol﹣1,且反应后气体分子数减少,ΔS<0。当温度较低时,T•ΔS的绝对值较小,ΔG=ΔH﹣T•ΔS更可能为负,反应自发;高温时T•ΔS的正值增大,ΔG可能转为正,反应不自发,因此,低温有利于反应自发,故B正确,
故选:B。
2.(2025秋•莎车县期末)对于化学反应的自发性,下列判断依据错误的是( )
A.焓变是决定反应自发性的唯一因素
B.自发反应的判断依据为ΔG=ΔH﹣TΔS<0
C.熵增且放热的反应一定能自发进行
D.焓变(ΔH)和熵变(ΔS)共同决定反应能否自发
【答案】A
【解答】解:A.反应自发进行由焓变、熵变、温度共同决定,所以反应焓变是决定反应能否自发进行的因素之一,不是唯一因素,故A错误;
B.自发反应有向△G<0方向进行的趋势,即温度、压强一定时,ΔG=ΔH﹣TΔS<0的反应可自发进行,故B正确;
C.放热的熵增反应△S>0,ΔH<0,ΔH﹣T△S<0,反应一定自发进行,故C正确;
D.在温度、压强一定的条件下,焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向,ΔH﹣T△S<0,则能自发进行;ΔH﹣T△S>0,不能自发进行,故D正确;
故选:A。
3.(2025秋•平顶山期末)下列关于反应自发性的说法正确的是( )
A.冰在室温下自动熔化成水时,ΔH<0,ΔS>0
B.根据反应的自发性可以预测该反应发生的快慢
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.能够自发进行的反应一定是熵增的过程
【答案】C
【解答】解:A.冰在室温下自动熔化成水时,ΔH>0,ΔS>0,故A错误;
B.反应的自发性与反应的快慢无关,故B错误;
C.反应NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)在室温下可自发进行,ΔH﹣T•△S<0能自发进行,故该反应的ΔH<0,故C正确;
D.能够自发进行的反应不一定是熵增的过程,由熵变和焓变共同决定,故D错误;
故选:C。
4.(2025秋•齐齐哈尔期中)下列说法中正确的是( )
A.若ΔH<0,ΔS>0,该化学反应在任何温度下都不能自发进行
B.焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素
C.水结冰的过程不能自发进行的原因是该过程为熵减的过程,改变条件也不可能自发进行
D.常温下反应能自发进行2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s),则该反应的ΔH<0
【答案】D
【解答】解:A.若ΔH<0,△S>0,该化学反应在任何温度下都能自发进行,故A错误;
B.焓变是决定反应能否自发进行的因素之一,熵变也可以判断反应是否自发,两者复合是判断是否自发反应的因素,故B错误;
C.水结冰的过程不能自发进行的原因是水结冰的过程是熵减的过程,改变条件也可能自发进行,故C错误;
D.2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s),常温下反应能自发进行,由于该反应为熵减的反应,则该反应的ΔH<0,故D正确;
故选:D。
5.(2025秋•黄冈期中)已知气体分子总数增多的反应一定是熵增加的反应。一定条件下,下列反应不能正向自发进行的是( )
A.CH4(g)=C(s)+2H2(g) ΔH>0
B.N2(g)+O2(g)=2NO2(g) ΔH>0
C.N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) ΔH<0
D.N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0
【答案】B
【解答】解:A.反应:CH4(g)=C(s)+2H2(g),气体分子数从1变为2,ΔS>0;ΔH>0;高温下TΔS会大于ΔH,ΔG<0,反应能自发,故A正确;
B.反应:N2(g)+O2(g)=2NO2(g),气体分子数从2变为2,ΔS = 0(或略减小),ΔH>0;则ΔG =ΔH﹣TΔ S>0,反应不能自发,故B错误;
C.反应:N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g),气体分子数从1变为3,Δ S>0;ΔH<0,G =ΔH﹣TΔ S<0,反应能自发,故C正确;
D.反应:N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g),气体分子数从4变为2,ΔS<0;ΔH<0;低温下TΔ S的绝对值较小,Δ G<0,反应能自发,故D正确;
故选:B。
6.(2025秋•保定期中)下列反应的ΔS>0的是( )
A.氮气和氢气反应制氨气
B.二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应
C.氯化氢溶于水
D.煅烧大理石
【考点】化学反应的自发过程.版权所有
【解答】解:A.氮气和氢气反应制氨气为气体体积减小的反应,其混乱度减小,△S<0,故A错误;
B.二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应是气体体积减小的反应,其混乱度减小,△S<0,故B错误;
C.氯化氢溶于水混乱度减小,△S<0,故C错误;
D.反应CaCO3(s)═CaO(s)+CO2(g)为气体体积增大的反应,其混乱度增大,△S>0,故D正确;
故选:D。
7.(2025秋•皇姑区校级期中)氮化硼(BN)是重要的无机材料,可通过下面两个反应制得:
反应Ⅰ:2B(s)+N2(g)=2BN(s)
反应Ⅱ:B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)
已知反应Ⅰ常温下自发,反应Ⅱ常温下非自发。下列说法正确的是( )
A.常温下反应Ⅰ的ΔG<0,化学反应速率较快
B.无法判断反应Ⅱ是吸热反应还是放热反应
C.可寻找性能优良的催化剂使反应Ⅱ在常温下自发
D.若用反应Ⅱ制备时需要在密闭的耐高温容器中进行
【考点】化学反应的自发过程.版权所有
【解答】解:A.已知反应Ⅰ常温下自发进行,ΔG<0,但不能判断反应速率,故A错误;
B.由方程式可知,△S>0,反应Ⅱ常温下非自发,即ΔH﹣T△S>0,则ΔH>0,为吸热反应,故B错误;
C.反应Ⅱ常温下不自发,性能优良的催化剂不能使反应Ⅱ在常温下自发进行,故C错误;
D.反应Ⅱ常温下非自发,ΔH>0,△S>0,根据ΔH﹣T△S<0反应能自发进行,该反应在高温下能自发进行,故反应Ⅱ需要在密闭的耐高温容器中进行,故D正确;
故选:D。
8.(2025秋•庐阳区校级期中)下列说法中正确的是( )
A.工业上生产硫酸时,充入过量的空气是为了提高反应物O2的转化率
B.ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行
C.冰在室温下自动熔化成水,这是熵减的过程
D.合成氨时,选定温度为400℃~500℃而不是常温,符合勒夏特列原理
【考点】化学反应的自发过程;化学反应的方向.版权所有
【解答】解:A.工业上充入过量空气即可增加O2浓度,使2SO2+O2⇌2SO3平衡右移,提高SO2转化率,故A错误;
B.ΔH<0、ΔS>0,则ΔG=ΔH﹣TΔS<0,反应在任何温度下都能自发进行,故B正确;
C.同种物质的熵值,液体大于固体,故冰在室温下自动熔化成水,这是熵增的过程,故C错误;
D.合成氨为放热反应,高温不利平衡右移,选择高温是综合考虑反应速率和平衡移动的结果,该选择该条件主要为了提高反应速率,而根据勒夏特列原理,高温对平衡移动是不利的,故D错误;
故选:B。
知识3 熵(entropy)判据☆
项目
内容
概念
自发过程的体系趋向于由有序转变为无序,体系的混乱度增大。体系的混乱度常用熵来描述,熵的概念是表示体系的混乱或无序程度的物理量,其符号为S。熵值越大,体系的混乱度越大。
影响因素
(1)相同条件下,物质不同,熵不同。
(2)同一物质:S(高温)>S(低温),S(g)>S(l)>S(s)。
(3)反应中无状态变化:S化学计量数大>S化学计量数小;反应中无状态变化、化学计量数变化:S种类多>S少。
熵变
生成物与反应物的熵值之差,用ΔS表示。
计算
ΔS=S(生成物)-S(反应物)。
判断依据
(1)当ΔS>0时,反应为熵增反应,在一定条件下能自发进行。
(2)当ΔS<0时,反应为熵减反应,在一定条件下不能自发进行。
熵变与反应反向
△S >0有利于反应自发进行,但自发反应不一定要△S >0,因此,熵变是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。
例如:
Zn(s)+H2SO4(aq)===ZnSO4(aq)+H2(g)
2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g)
这些自发进行的化学反应都是熵增的过程,即ΔS>0。
说明:有些熵减的过程也能自发进行。例如,乙烯聚合为聚乙烯的反应,是熵减的过程,即ΔS<0,却能够自发进行。
再如:
2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)
知识4 复合判据☆
项目
内容
自由能
在等温、等压条件下的封闭体系中(不考虑体积变化做功意外的其他功),自由能(符号为ΔG,单位为kJ·mol-1)的变化综合反应了体系的焓变和熵变对自发过程的影响。
自由能变化与焓变、熵变的关系
ΔG=ΔH-TΔS
反应方向与自由能的关系
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。
温度与反应方向的关系
反应热
熵值
反应的自发性
ΔH<0
ΔS>0
所有温度都自发进行
ΔH<0
ΔS<0
低温下温度能自发进行
ΔH>0
ΔS>0
高温下时能自发进行
ΔH>0
ΔS<0
所有温度下都不能自发进行
· 例题
考点:吉布斯自由能判据判断化学反应的方向(共2小题)
9.(2022秋•蓝田县期末)下列说法中正确的是( )
A.2CaCO3(s)+2SO2(g)+O2(g)═2CaSO4(s)+2CO2(g)在低温下能自发进行,则该反应的ΔH<0
B.NH4Cl(s)═NH3(g)+HCl(g)在室温下不能自发进行,则该反应的ΔH<0
C.若ΔH>0,ΔS<0,化学反应在任何温度下都能自发进行
D.加入合适的催化剂能降低反应的活化能,从而改变反应的焓变
10.(2022春•同步)某温度下,反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)的平衡常数K═0.77。当c(N2)═0.81mol⋅L﹣1,c(H2)═0.32mol⋅L﹣1,c(NH3)═0.15mol⋅L﹣1时,试通过计算判断反应进行的方向 。
考点:吉布斯自由能判据判断化学反应的方向(共2小题)
9.(2022秋•蓝田县期末)下列说法中正确的是( )
A.2CaCO3(s)+2SO2(g)+O2(g)═2CaSO4(s)+2CO2(g)在低温下能自发进行,则该反应的ΔH<0
B.NH4Cl(s)═NH3(g)+HCl(g)在室温下不能自发进行,则该反应的ΔH<0
C.若ΔH>0,ΔS<0,化学反应在任何温度下都能自发进行
D.加入合适的催化剂能降低反应的活化能,从而改变反应的焓变
【答案】A
【解答】解:A.该反应是熵减的反应即△S<0,而当G=△H﹣T•△S<0时,反应能自发进行,该反应在低温下能自发进行,则该反应的ΔH<0,故A正确;
B.该反应是熵增的反应,△S>0,若△H<0,则任何温度均一定能自发,而此反应在室温下不能自发进行,则该反应的ΔH>0,故B错误;
C.若ΔH>0,ΔS<0,则G=△H﹣T•△S一定大于0,反应在任何温度下均非自发,故C错误;
D.催化剂不能改变反应物、生成物的总能量,故不能改变反应的焓变,但能通过改变反应路径来降低反应的活化能,故D错误;
故选:A。
10.(2022春•同步)某温度下,反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)的平衡常数K═0.77。当c(N2)═0.81mol⋅L﹣1,c(H2)═0.32mol⋅L﹣1,c(NH3)═0.15mol⋅L﹣1时,试通过计算判断反应进行的方向 逆向移动 。
【答案】逆向移动。
【解答】解:当c(N2)═0.81mol⋅L﹣1,c(H2)═0.32mol⋅L﹣1,c(NH3)═0.15mol⋅L﹣1时,反应的浓度熵QC0.85>K,所以反应逆向进行,
故答案为:逆向移动。
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第三节 化学反应的方向
· 导入
自然界中有一些过程是自发进行的,而且是有方向性的。例如,水总是自发地从高处流向低处(如图2.3-1),而相反的过程却不能自发进行。有些化学反应也是自发进行的,而且具有方向性。那么,如何判断化学反应自发进行的方向呢?
图2.3-1 水总是自发地从高处流向低处
知识1 自发过程和自发反应☆
项目
内容
自发过程
在一定条件下,不用借助外力,就能自发进行的过程。如:高山流水,自由落体,冰雪融化。
特点
(1)能量角度: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热量)。
(2)混乱度角度:在密闭条件下,体系有从有序自发转变为无序的倾向。
(3)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。
自发反应
在给定条件下,可以自发地进行到显著程度的化学反应。如:钢铁生锈。
举例:实验发现,大多数放热反应是可以自发进行的。例如,下列反应:
H2(g)+O2(g)===H2O(l) △H=-285.8kJ/mol
Zn(s)+CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)+Cu(s) △H=-216.8kJ/mol
非自发反应
不能自发的进行,必须借助某种外力才能进行的反应成为非自发反应。
知识2 焓判据☆
项目
内容
理解
(1)能自发进行的反应多数是放热反应,△H<0。
(2)有些吸热反应在室温下能自发进行,还有一些吸热反应在高温下能够自发进行。
(3)ΔH<0有利于反应自发进行,但自发反应不一定要△H<0。因此,焓变只是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。
说明:吸热反应也可以自发进行,例如,通过实验知道Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热的,但是这个反应确实可以自发进行的。又如:
2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) △H=+109.8kJ/mol
NaHCO3(s)+HCl(aq)===NaCl(aq)+CO2(g)+H2O(l) △H=+31.4kJ/mol
· 例题
考点:化学反应的自发过程(共8小题)
1.(2025秋•黑龙江校级期末)甲醇是重要的化工原料,用水煤气制备甲醇的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)ΔH=﹣90kJ•mol﹣1。下列关于该反应的自发情况描述正确的是( )
A.高温自发 B.低温自发
C.任意温度都自发 D.任意温度都不自发
2.(2025秋•莎车县期末)对于化学反应的自发性,下列判断依据错误的是( )
A.焓变是决定反应自发性的唯一因素
B.自发反应的判断依据为ΔG=ΔH﹣TΔS<0
C.熵增且放热的反应一定能自发进行
D.焓变(ΔH)和熵变(ΔS)共同决定反应能否自发
3.(2025秋•平顶山期末)下列关于反应自发性的说法正确的是( )
A.冰在室温下自动熔化成水时,ΔH<0,ΔS>0
B.根据反应的自发性可以预测该反应发生的快慢
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.能够自发进行的反应一定是熵增的过程
4.(2025秋•齐齐哈尔期中)下列说法中正确的是( )
A.若ΔH<0,ΔS>0,该化学反应在任何温度下都不能自发进行
B.焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素
C.水结冰的过程不能自发进行的原因是该过程为熵减的过程,改变条件也不可能自发进行
D.常温下反应能自发进行2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s),则该反应的ΔH<0
5.(2025秋•黄冈期中)已知气体分子总数增多的反应一定是熵增加的反应。一定条件下,下列反应不能正向自发进行的是( )
A.CH4(g)=C(s)+2H2(g) ΔH>0
B.N2(g)+O2(g)=2NO2(g) ΔH>0
C.N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) ΔH<0
D.N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH<0
6.(2025秋•保定期中)下列反应的ΔS>0的是( )
A.氮气和氢气反应制氨气
B.二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应
C.氯化氢溶于水
D.煅烧大理石
7.(2025秋•皇姑区校级期中)氮化硼(BN)是重要的无机材料,可通过下面两个反应制得:
反应Ⅰ:2B(s)+N2(g)=2BN(s)
反应Ⅱ:B2O3(s)+2NH3(g)=2BN(s)+3H2O(g)
已知反应Ⅰ常温下自发,反应Ⅱ常温下非自发。下列说法正确的是( )
A.常温下反应Ⅰ的ΔG<0,化学反应速率较快
B.无法判断反应Ⅱ是吸热反应还是放热反应
C.可寻找性能优良的催化剂使反应Ⅱ在常温下自发
D.若用反应Ⅱ制备时需要在密闭的耐高温容器中进行
8.(2025秋•庐阳区校级期中)下列说法中正确的是( )
A.工业上生产硫酸时,充入过量的空气是为了提高反应物O2的转化率
B.ΔH<0、ΔS>0的反应在任何温度下都能自发进行
C.冰在室温下自动熔化成水,这是熵减的过程
D.合成氨时,选定温度为400℃~500℃而不是常温,符合勒夏特列原理
知识3 熵(entropy)判据☆
项目
内容
概念
自发过程的体系趋向于由有序转变为无序,体系的混乱度增大。体系的混乱度常用熵来描述,熵的概念是表示体系的混乱或无序程度的物理量,其符号为S。熵值越大,体系的混乱度越大。
影响因素
(1)相同条件下,物质不同,熵不同。
(2)同一物质:S(高温)>S(低温),S(g)>S(l)>S(s)。
(3)反应中无状态变化:S化学计量数大>S化学计量数小;反应中无状态变化、化学计量数变化:S种类多>S少。
熵变
生成物与反应物的熵值之差,用ΔS表示。
计算
ΔS=S(生成物)-S(反应物)。
判断依据
(1)当ΔS>0时,反应为熵增反应,在一定条件下能自发进行。
(2)当ΔS<0时,反应为熵减反应,在一定条件下不能自发进行。
熵变与反应反向
△S >0有利于反应自发进行,但自发反应不一定要△S >0,因此,熵变是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。
例如:
Zn(s)+H2SO4(aq)===ZnSO4(aq)+H2(g)
2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g)
这些自发进行的化学反应都是熵增的过程,即ΔS>0。
说明:有些熵减的过程也能自发进行。例如,乙烯聚合为聚乙烯的反应,是熵减的过程,即ΔS<0,却能够自发进行。
再如:
2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)
知识4 复合判据☆
项目
内容
自由能
在等温、等压条件下的封闭体系中(不考虑体积变化做功意外的其他功),自由能(符号为ΔG,单位为kJ·mol-1)的变化综合反应了体系的焓变和熵变对自发过程的影响。
自由能变化与焓变、熵变的关系
ΔG=ΔH-TΔS
反应方向与自由能的关系
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。
温度与反应方向的关系
反应热
熵值
反应的自发性
ΔH<0
ΔS>0
所有温度都自发进行
ΔH<0
ΔS<0
低温下温度能自发进行
ΔH>0
ΔS>0
高温下时能自发进行
ΔH>0
ΔS<0
所有温度下都不能自发进行
· 例题
考点:吉布斯自由能判据判断化学反应的方向(共2小题)
6.(2022秋•蓝田县期末)下列说法中正确的是( )
A.2CaCO3(s)+2SO2(g)+O2(g)═2CaSO4(s)+2CO2(g)在低温下能自发进行,则该反应的ΔH<0
B.NH4Cl(s)═NH3(g)+HCl(g)在室温下不能自发进行,则该反应的ΔH<0
C.若ΔH>0,ΔS<0,化学反应在任何温度下都能自发进行
D.加入合适的催化剂能降低反应的活化能,从而改变反应的焓变
7.(2022春•同步)某温度下,反应N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)的平衡常数K═0.77。当c(N2)═0.81mol⋅L﹣1,c(H2)═0.32mol⋅L﹣1,c(NH3)═0.15mol⋅L﹣1时,试通过计算判断反应进行的方向 。
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