学年高中化学 第二章 化学反应速率和化学平衡 第四节 化学反应进行的方向学案 新人Word文档格式.docx

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ΔS＝S（生成物）－S（反应物）。

（3）正负判断依据

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，ΔS>

0，是熵增加的过程；

②气体体积增大的反应，熵变通常都是ΔS>

0，是熵增加的反应；

③气体体积减小的反应，熵变通常都是ΔS<

0，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。

反应熵变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。

三、焓变与熵变对反应方向的共同影响

1．反应方向的判据

体系自由能变化（符号为ΔG，单位为kJ·

mol－1）综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于化学反应自发进行方向的判断：

ΔG＝ΔH－TΔS。

（1）ΔH－TΔS<

0　反应能自发进行。

（2）ΔH－TΔS＝0　反应达到平衡状态。

（3）ΔH－TΔS>

0　反应不能自发进行。

2．文字表述

在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔH－TΔS<

0的方向进行，直至达到平衡状态。

【合作探究】

1．ΔH－TΔS判据是否适于任何条件下的反应？

答案　ΔH－TΔS判据只能用于温度和压强一定的条件下的反应，不能用于其他条件下（如温度、体积一定）的反应。

2．判断下列叙述是否正确。

（1）反应进行的方向与其焓变、熵变有关（　　）

（2）由焓判据可知放热反应容易进行（　　）

（3）由熵判据可知熵值增加的反应是自发反应（　　）

（4）ΔH<

0的化学反应都是自发进行的放热反应（　　）

（5）ΔS>

0的化学反应都是能自发进行的反应（　　）

（6）用焓判据或熵判据判断同一反应进行的方向其结果相同（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×

　（4）×

　（5）×

　（6）×

3．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。

4．用“>

”或“<

”填空：

（1）溶解少量蔗糖于水中，ΔS________0。

（2）纯碳和氧气反应生成CO（g），ΔS________0。

（3）液态水蒸发变成水蒸气，ΔS________0。

（4）CaCO3（s）加热分解生成CaO（s）和CO2（g），ΔS____0。

答案　

（1）>

（2）>

　（3）>

　（4）>

解析　

（1）蔗糖溶于水形成溶液混乱度增大。

（2）反应气体分子数增多是熵增大的过程。

（3）液态水变为气态水，是熵值增大的过程。

（4）反应气体分子数增多是熵增大的过程。

一、化学反应进行方向的判断方法

1．利用化学反应原理判断的几种方法

（1）相对强酸（碱）生成相对弱酸（碱）。

（2）氧化性强＋还原性强的物质反应向氧化性弱＋还原性弱的物质的转化。

（3）不稳定性物质向稳定性物质的转化。

（4）符合复分解反应条件下的溶液中的反应。

2．用焓变和熵变判断反应的方向

判断一定温度、压强条件下反应的方向时，应同时考虑焓变与熵变两个因素，用ΔG＝ΔH－TΔS作为复合判据。

0的方向进行，直至达到平衡状态；

若ΔH－TΔS＝0，表明反应已达到平衡状态；

若ΔH－TΔS>

0，表明反应不能自发进行。

关键提醒　化学反应进行方向的判断方法

（1）判据ΔH－TΔS只能用于温度、压强一定条件下的反应，不能用于其他条件（如温度、体积一定）下的反应。

（2）反应方向与条件有关，常温、常压下能自发进行的反应在其他温度和压强下不一定能自发进行。

（3）判据ΔH－TΔS<

0说明在一定温度和压强下反应有自发的趋势，不能说明在该条件下能否实际发生。

反应能否发生、实现，还要看具体反应条件。

【例1】　下列反应在任意温度下一定能自发进行的是________（填序号）。

①2NaCl

2Na＋Cl2↑

②2KClO3（s）===2KCl（s）＋3O2（g）

ΔH＝－78.03kJ·

mol－1　

③CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）

ΔH＝＋178.2kJ·

④4Fe（OH）2（s）＋2H2O（l）＋O2（g）===4Fe（OH）3（s）　ΔH＝－444.3kJ·

mol－1

⑤CO（g）===C（s，石墨）＋

O2（g）

ΔH＝＋110.5kJ·

解析　①反应需要电解才能进行，故该反应为非自发反应；

②ΔH<

0，ΔS>

0，任意温度下都有ΔH－TΔS<

0，故该反应任意温度下都能自发进行；

③ΔH>

0，在高温下（T>

）时，ΔH－TΔS<

0，反应能自发进行，T<

时，ΔH－TΔS，反应不能自发进行；

④ΔH<

0，ΔS<

0，在低温下（T<

0，反应能自发进行；

⑤ΔH>

0，ΔH－TΔS>

0，该反应任意温度下都不能自发反应。

答案　②

变式训练1　以下自发反应可用能量判据来解释的是（　　）

A．硝酸铵自发地溶于水

B．2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）

ΔH＝56.7kJ·

mol－1

C．（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）

ΔH＝74.9kJ·

D．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）

ΔH＝－285.8kJ·

解析　硝酸铵自发地溶于水，有趋向于最大混乱度的倾向，属于熵判据；

B、C二项都是吸热反应也都是熵增的反应，显然只根据焓变来判断反应进行的方向是不全面的。

二、化学反应的方向与ΔH－TΔS的关系

1．若ΔH<

0、ΔS>

0，即放热的熵增加的反应，所有温度下，反应一定能自发进行；

2．若ΔH>

0、ΔS<

0，即吸热的熵减小的反应，所有温度下，反应一定不能自发进行；

3．若ΔH<

0，即放热和熵减小的反应，低温下反应能自发进行；

4．若ΔH>

0，即吸热和熵增加的反应，高温下反应能自发进行。

关键提醒

1．当焓变和熵变的作用相反且二者大小相差悬殊时，其中的某一因素占主导地位；

2．当焓变和熵变的作用相反且二者相差不大时，温度对反应方向起决定作用。

例如：

有些反应常温下不能自发进行，在高温下能自发进行；

有些反应高温下不能自发进行，在低温下能自发进行。

【例2】　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）。

某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到了如下热力学数据：

反应①的ΔH（298K）＝＋74.848kJ·

mol－1，ΔS（298K）＝＋80.674J·

K－1

反应②的ΔH（298K）＝＋376.426kJ·

mol－1，ΔS（298K）＝＋220.211J·

已知焓变和熵变随温度变化很小。

请帮助这位同学思考如下问题：

（1）判断反应②高温自发还是低温自发：

________（填“高温”或“低温”）。

（2）通过计算判断反应①在常温下能否自发进行________________________________________________________________________。

（3）求算制取炭黑的允许温度范围__________________________________________________。

（4）为了提高甲烷的碳化程度，你认为下面四个温度中最合适的是________（填字母）。

A．905.2KB．927KC．1273KD．2000K

解析　

（1）反应的ΔH－TΔS<

0时才能自发进行，由于反应②的ΔH>

0，所以该反应自发进行所需要的温度条件为T>

＝

≈1709.4K。

所以反应②应在高温下才能自发进行。

（2）反应①在常温下时，ΔH－TΔS＝74.848kJ·

mol－1－80.674×

10－3kJ·

K－1×

298K≈50.807kJ·

mol－1>

0，所以该反应常温下不自发进行。

（3）裂解为炭黑和H2时，ΔH－TΔS＝74.848kJ·

T<

0，得T>

927.8K，即裂解为炭黑的最低温度为927.8K。

裂解为乙炔时，ΔH－TΔS＝376.426kJ·

mol－1－220.211×

1709.4K，即温度高于1709.4K自发裂解为乙炔和氢气。

所以要制取炭黑，温度须控制在927.8～1709.4K。

（4）为了提高甲烷的碳化程度，应满足两方面要求：

①温度应控制在927.8～1709.4K；

②温度越高，ΔH－TΔS越小，越有利于自发进行。

所以选用1273K最好。

答案　

（1）高温　

（2）不能自发进行　（3）927.8～1709.4K

（4）C

变式训练2　下列说法正确的是（　　）

A．在常温下，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＝＋185.57kJ·

mol－1，能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的倾向

C．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变和熵变均可以单独作为反应自发性的判据

D．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向

答案　B

解析　A项错误，有些能使熵值增大的吸热反应可以自发进行；

C项错误，应利用复合判据进行判断；

D项中使用催化剂只能降低反应的活化能，增大反应速率，不能改变反应的方向。

1．已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为

①C（石墨，s）＋O2（g）===CO2（g）

ΔH＝－393.5kJ·

②C（金刚石，s）＋O2（g）===CO2（g）

ΔH＝－395.4kJ·

关于金刚石和石墨的相互转化，下列说法正确的是（　　）

A．石墨转化成金刚石是自发的过程

B．金刚石转化成石墨是自发的过程

C．石墨比金刚石能量高

D．金刚石比石墨稳定

解析　由①－②得C（石墨，s）===C（金刚石，s）　ΔH＝＋1.9kJ·

mol－1，根据焓判据，则说明金刚石变成石墨是自发的，B正确；

ΔH>

0，说明石墨变成金刚石需吸收能量，则说明金刚石比石墨能量高，不稳定。

2．对于一定不能自发进行的反应来说，反应后体系的（　　）

A．混乱度减少，而能量增加

B．混乱度增大，而能量降低

C．混乱度减少，能量降低

D．混乱度增大，能量增加

答案　A

解析　熵增加或焓降低有利于反应自发进行。

如果一个反应熵减小焓增加则一定不能自发进行，A是一定不能自发进行的。

根据ΔH－TΔS<

0来判断，B、C、D都是可能自发的。

3．下列说法中不正确的是（　　）

A．体系有序性越高，熵值就越低

B．自发过程可以导致体系的熵增大

C．吸热反应不可以自发进行

D．同种物质气态时熵值最大

答案　C

解析　反应能否自发进行，主要由自由能来决定，从公式ΔG＝ΔH－TΔS可知ΔG<

0（为负值）时，反应能自发进行。

如果是吸热反应，ΔH为正值，ΔG的正负取决于TΔS的大小。

4．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

解析　因为ΔH>

0，T>

0，故ΔH－TΔS>

0，此反应为非自发进行的反应。

5．冰融化为水的过程的焓变和熵变正确的是（　　）

A．ΔH>

0B．ΔH<

C．ΔH>

0D．ΔH<

解析　冰融化为水是熵增，该过程吸热，ΔH>

0。

[基础过关]

一、自发过程的判断

1．下列过程是非自发的是（　　）

A．水由高处向低处流B．天然气的燃烧

C．铁在潮湿的空气中生锈D．室温下液态水结成冰

解析　本题考查的是自发过程的判断。

自然界中的水由高处向低处流、天然气的燃烧、铁在潮湿的空气中生锈、室温下冰的融化都是自发过程，其逆向都是非自发的，故正确答案为D。

2．知道了某过程有自发性之后，则（　　）

A．可判断出过程的方向

B．可确定过程是否一定会发生

C．可预测过程发生完成的快慢

D．可判断过程的热效应

解析　判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢、反应的热效应无关。

二、化学反应进行的方向与焓变的关系

3．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

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，故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。

4．下列自发反应可用焓判据来解释的是（　　）

A．2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）

ΔH＝＋56.7kJ·

B．（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）

ΔH＝＋74.9kJ·

C．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）

ΔH＝－572kJ·

D．CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）

解析　焓判据是指ΔH<

0的反应，一般是自发的。

只有C项符合题意。

5．碳铵（NH4HCO3）在室温下就能自发地分解产生氨气，下列有关说法中正确的是（　　）

A．碳铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大

B．碳铵分解是因为外界给予了能量

C．碳铵分解是吸热反应，根据焓判据，不能自发分解

D．碳酸盐都不稳定，都能自发分解

解析　本题考查化学反应进行方向的判据，放热反应常常是容易进行的过程，吸热反应有些也是自发反应；

自发反应的熵不一定增大，可能减小，也可能不变。

过程的自发性只能用于判断过程的方向，是否能实现还要看具体的条件。

故选A。

三、化学反应进行的方向与熵变的关系

6．下列说法中正确的是（　　）

A．凡是放热反应都是能自发进行的反应，而吸热反应都是非自发进行的反应

B．自发反应一定是熵增加的反应，非自发反应一定是熵减小或不变的反应

C．熵增加且放热的反应一定是自发反应

D．非自发反应在任何条件下都不能发生

0则是自发的，可看出ΔH和ΔS都对反应有影响，不能由单方面决定，A、B错误；

熵增加即ΔS>

0，放热反应的ΔH<

0，代入公式得ΔH－TΔS<

0，故是自发的，C对；

非自发的反应，可以通过改变条件，使ΔH、T、ΔS发生改变，从而使ΔH－TΔS<

0，达到自发，D错误。

7．对下列过程的熵变的判断不正确的是（　　）

A．溶解少量食盐于水中：

ΔS>

B．纯碳和氧气反应生成CO（g）：

C．水蒸气变成液态水：

D．CaCO3（s）加热分解为CaO（s）和CO2（g）：

解析　水蒸气变成液态水是熵减小的过程。

8．25℃、1.01×

105Pa时，反应2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）　ΔH＝＋56.7kJ·

mol－1自发进行的原因是（　　）

A．是吸热反应

B．是放热反应

C．是熵减小的反应

D．熵增大效应大于能量效应

解析　该反应是吸热反应，根据焓判据是不能自发进行的，说明该反应之所以能够自发进行是由于熵增效应，并且熵增效应大于能量效应。

四、复合判据的应用

9．反应CH3OH（l）＋NH3（g）===CH3NH2（g）＋H2O（g）在某温度下自发向右进行，若反应的|ΔH|＝17kJ·

mol－1，|ΔH－TΔS|＝17kJ·

mol－1，则下列正确的是（　　）

A．ΔH＞0，ΔH－TΔS＜0

B．ΔH＜0，ΔH－TΔS＞0

C．ΔH＞0，ΔH－TΔS＞0

D．ΔH＜0，ΔH－TΔS＜0

解析　某温度下反应自发向右进行，说明ΔH－TΔS＜0，即ΔH－TΔS＝－17kJ·

mol－1，若ΔH＝－17kJ·

mol－1，则ΔS＝0，不符合事实，故ΔH＝17kJ·

mol－1＞0，所以选A项。

10．已知在等温等压条件下，化学反应方向的判据为

ΔH－TΔS<

0　反应能自发进行

ΔH－TΔS＝0　反应达到平衡状态

ΔH－TΔS>

0　反应不能自发进行

设反应A===D＋E　ΔH－TΔS＝（－4500＋11T）J·

mol－1，要防止反应发生，温度必须（　　）

A．高于409K

B．低于136K

C．高于136K而低于409K

D．低于409K

解析　要防止反应发生需满足ΔH－TΔS>

0的条件，解不等式得T>

409K，故A正确。

[能力提升]

11．已知C2H5OH（l）===C2H4（g）＋H2O（l）液态的ΔH＝＋45.78kJ·

mol－1，ΔS＝＋126.19J·

mol－1·

（1）请通过计算判断此反应在298K时能否自发进行_________________________________________________________________________________________________________________。

（2）该反应发生的条件是__________________________________________________________

______________________________________________________________________________。

答案　

（1）ΔH－TΔS＝45.78kJ·

mol－1－298K×

126.19×

K－1＝8.18kJ·

mol－1＞0，故此反应在298K的温度下不能自发进行。

（2）170℃，浓H2SO4（作催化剂，脱水剂）

12．某化学兴趣小组专门研究了氧族元素及其某些化合物的部分性质，所查资料信息如下：

①酸性：

H2SO4>

H2SeO4>

H2TeO4；

②氧、硫、硒与氢气化合越来越难，碲与氢气不能直接化合；

③由某元素的单质生成等物质的量的氢化物的焓变情况如图所示。

请回答下列问题：

（1）H2与S化合的反应______热量（填“放出”或“吸收”）。

（2）已知H2Te分解反应的ΔS>

0，请解释为什么Te和H2不能直接化合：

___________________________________________________________________________________________。

（3）上述资料信息中能够说明硫元素的非金属性强于硒元素的是________（填序号）。

答案　

（1）放出　

（2）因为化合时ΔH>

0，故反应不能自发进行　（3）①②③

解析　

（1）由图示可知H2与硫化合的反应ΔH<

0，故为放热反应。

（2）由图示可知H2与Te化合的反应ΔH>

0，H2Te分解时ΔS>

0，则化合生成H2Te的ΔS<

0，即ΔH－TΔS>

0，故反应不能自发进行。

13．二氧化碳捕集、存储和转化是当今化学研究的热点问题之一。

（1）用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解CO2，发生反应：

2CO2（g）===2CO（g）＋O2（g），该反应的ΔH______0，ΔS______0（填“>

”、“<

”或“＝”），在低温下，该反应________（填“能”或“不能”）自发进行。

（2）CO2转化途径之一是利用太阳能或生物质能分解水制H2，然后将H2与CO2转化为甲醇或其他化学品。

你认为该方法需要解决的技术问题有________。

a．开发高效光催化剂

b．将光催化制取的氢气从反应体系中有效分离，并与CO2发生催化转化

c．二氧化碳及水资源的供应

　>

　不能　

（2）ab

解析　该反应是分解反应，且CO燃烧时放热，所以该反应为吸热反应，即ΔH>

0，因气体的物质的量增多，所以ΔS>

0时，反应可自发进行，所以在低温下，该反应不能自发进行。

[拓展探究]

14．

（1）在冶金工业中，以C作为还原剂，温度高于980K时的氧化产物是以CO为主，低于980K时以CO2为主。

已知2CO（g）CO2（g）＋C（s），T＝980K时，ΔH－TΔS＝0。

当体系温度低于980K时，估计ΔH－TΔS的正负符号为________；

当体系温度高于980K时，ΔH－TΔS的正负符号为________。

（2）已知298K时由石墨生成金刚石反应的ΔH＝＋1.895kJ·

mol－1，ΔH－TΔS＝2.866kJ·

mol－1，又知石墨的熵S石＝5.694J·

K－1，求金刚石的熵S金，这两种碳的同素异形体哪种更有序？

（化学反应的熵变是产物的总熵与反应物的总熵之差）____________________________________________________________________________________________________。

答案　

（1）负　正