化学同步人教选修4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.docx

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化学同步人教选修4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

1.了解自发过程和化学反应的自发性。

2．通过“有序”和“无序”的对比，了解熵和熵变的概念。

3．初步了解焓变和熵变对化学反应方向的影响，能用焓变和熵变解释化学反应的方向。

1．自发过程

不用借助外力就可以自动进行的过程，如高山流水、自由落体。

2．化学反应进行的方向

（1）焓判据：

放热反应过程中体系能量降低，具有自发进行的倾向，因此可用焓变来判断反应进行的方向。

（2）熵判据：

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。

[新知探究]

1．自发过程

（1）含义：

在一定条件下，不用借助外力就可以自动进行的过程。

（2）特点：

①体系趋向于从高能状态转变为低能状态（体系对外部做功或释放热量）。

②在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向（无序体系更加稳定）。

2．自发反应

在一定条件下，有可以发生反应的趋势的一类反应，就称为自发反应。

3．非自发反应

不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。

[对点演练]

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．整齐火柴的散落D．室温下水结成冰

[解析]　自然界中水由高处向低处流，天然气的燃烧，火柴的散落，室温下冰的融化，都是自发过程，其逆向都是非自发的。

[答案]　D

[新知探究]

1．焓判据

（1）放热反应过程中体系能量降低，具有自发进行的倾向，因此可用焓变来判断反应进行的方向。

（2）焓判据的局限性：

放热反应有利于反应自发进行，但有些吸热反应也能自发进行，所以焓变是反应能否自发进行的一个因素，但不是唯一因素。

2.熵判据

（1）熵：

用来量度体系混乱程度的物理量。

熵值越大，混乱程度越大。

符号为S。

（2）熵值大小的比较：

同一种物质不同状态时熵值大小为S（g）>S（l）>S（s）。

（3）熵增原理：

在与外界隔绝的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，即熵变（符号ΔS）大于零。

（4）熵判据：

①体系有自发地向混乱度增大（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。

②熵增有利于反应自发进行，但有些熵值减小的反应，在一定条件下也能自发进行。

少数熵减小的反应，它在一定条件下也可以自发进行。

如：

NH3（g）＋HCl（g）===NH4Cl（s）ΔS＜0。

所以熵变是反应能否自发进行的一个因素，但不是唯一因素。

[名师点拨]

（1）焓变和熵变都是与反应能否自发进行有关的因素，但都不能独立作为反应自发性的判据；要判断反应进行的方向，必须综合考虑体系的焓变和熵变对反应方向的综合影响。

（2）判断过程自发性的目的是判断反应进行的方向，并不能判断反应的快慢和热效应，也不能确定反应是否一定能发生。

[对点演练]

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＝＋185.7kJ·mol－1，能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向

C．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或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

[解析]　有些熵增大的吸热反应可以自发进行，如NH4HCO3的分解，A项错误，B项正确；分析一个化学反应的自发性要将焓变和熵变综合起来，即利用复合判据进行判断，C项错误；D项中使用催化剂只能改变化学反应的速率，不能改变化学反应进行的方向。

[答案]　B

[新知探究]

在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应焓变有关，又与反应熵变有关。

研究表明，在恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据是：

体系自由能变化（ΔG、单位：

kJ·mol－1）：

ΔG＝ΔH－TΔS（注意：

T的单位是“K”，不是“℃”）。

（1）ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应能自发进行；

（2）ΔG＝ΔH－TΔS＝0，反应达到平衡状态；

（3）ΔG＝ΔH－TΔS>0，反应不能自发进行。

[名师点拨]

　在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与焓变有关，又与熵变有关。

（1）在恒温、恒压条件下，反应是否是自发反应，由ΔG＝ΔH－TΔS的值来决定，即存在如下坐标关系：

（2）复合判据只适用于判断恒温、恒压条件下的反应能否自发进行，不适用于判断其他条件。

（3）反应的自发性只能用于判断反应的方向性，反应是否能实现，还要看具体的条件。

过程的自发性只是一种趋势，过程要发生，必须具备一定的条件。

[对点演练]

3．试判断用于汽车净化的一个反应2NO（g）＋2CO（g）===N2（g）＋2CO2（g）在298K、100kPa下能否自发进行？

已知：

在298K、100kPa下该反应的ΔH＝－113.0kJ·mol－1，ΔS＝－145.3J·mol－1·K－1。

[解析]　ΔH－TΔS＝－113.0kJ·mol－1－298K×（－145.3J·mol－1·K－1）×10－3≈－69.7kJ·mol－1<0，可以自发进行。

[答案]　可以自发进行

1．下列说法不正确的是（　　）

A．铁生锈和氢气燃烧均为自发放热过程

B．冰融化的过程中，熵值增大

C．无热效应的自发过程是不存在的

D．同一物质固态时熵值最小

解析：

选C　铁生锈和氢气燃烧均为放出热量的自发过程，A项正确；冰融化时有序性减弱，混乱度增加，即熵值增大，B项正确；物质由有序转化为无序时，不一定发生热效应，如分子的扩散现象，C项错误；同一物质在固态时有序性最高，熵值最小，D项正确。

2．以下自发反应能用焓判据来解释的是（　　）

A．硝酸铵自发地溶于水

B．H2O（l）===H2O（g）　ΔH＝＋44.0kJ·mol－1

C．（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）ΔH＝＋74.9kJ·mol－1

D．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）ΔH＝－571.6kJ·mol－1

解析：

选D　A项可用熵的增加来解释其自发过程；B、C两项反应后气体体积增大，其自发过程可结合熵的增加来解释；D项是放热反应，由于反应放热有利于反应的自发进行，故可用焓判据来解释说明。

3．金属锡的冶炼常用焦炭作还原剂：

SnO2＋2C===Sn＋2CO↑，反应过程中能量的变化如图所示。

下列有关该反应的ΔH、ΔS的说法中正确的是（　　）

A．ΔH<0　ΔS<0　　　　　　B．ΔH>0　ΔS<0

C．ΔH<0　ΔS>0D．ΔH>0　ΔS>0

解析：

选D　根据图像可知该反应是吸热反应，ΔH>0；根据反应方程式可知该反应是熵增反应，ΔS>0，故应选D。

4．下列对熵的理解不正确的是（　　）

A．同种物质气态时熵值最大，固态时熵值最小

B．体系越有序，熵值越小；越混乱，熵值越大

C．与外界隔离的体系，自发过程将导致体系的熵减小

D．298K、1.01×105Pa时，2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）是熵增的反应

解析：

选C　体系都有从有序自发转变为无序的倾向，此过程为熵增过程，故C错误。

5．二氧化碳的捕集、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________（填“>”“<”或“＝”，下同）0，ΔS________0，在低温下，该反应________（填“能”或“不能”）自发进行。

（2）CO2的转化途径之一是首先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产品。

你认为该方法需要解决的技术问题有________（填字母）。

a．开发高效光催化剂

b．将通过光催化剂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

解析：

（1）该反应是分解反应，且为CO的燃烧反应的逆向反应，因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。

ΔG＝ΔH－TΔS<0时，反应可自发进行，所以在低温下，该反应不能自发进行。

（2）二氧化碳和水供应充足，不用考虑。

答案：

（1）>　>　不能　

（2）ab

一、选择题

1．下列说法正确的是（　　）

A．凡是放热反应都是自发的，凡是吸热反应都是非自发的

B．自发反应熵一定增大，非自发反应熵一定减小或不变

C．自发反应在适当条件下才能实现

D．自发反应在任何条件下都能实现

解析：

选C　放热反应大多是能够自发进行的过程，而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，反应是否能实现还要看具体的条件。

2．下列反应中，在高温下不能自发进行的是（　　）

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）

解析：

选A　在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这个原理叫熵增原理，在用来判断过程的方向时，称为熵判据。

本题中A、B、C、D都是吸热反应，其中B、C、D三个反应又都是熵增加的反应，在高温条件下能自发进行；A反应是熵减少的反应，在高温下不能自发进行。

3．下列有关说法正确的是（　　）

A．SO2（g）＋H2O（g）===H2SO3（l），该过程熵值增大

B．SO2（g）===S（s）＋O2（g）　ΔH>0，ΔS<0，该反应能自发进行

C．SO2（g）＋2H2S（g）===3S（s）＋2H2O（l）　ΔH<0，低温下能自发进行

D．某温度下SO2（g）＋

O2（g）

SO3（g），K＝

解析：

选C　反应由气体物质生成液体物质是熵值减小的反应，A项不正确；ΔH>0，ΔS<0，反应不能自发进行，B项不正确；C项中是一个ΔH<0，ΔS<0的反应，由ΔH－TΔS可知，反应在低温下能自发进行，C项正确；D项中K＝

。

4．在图Ⅰ中A、B两容器里，分别收集着两种互不作用的理想气体。

若将中间活塞打开，如图Ⅱ，两种气体分子立即都占有了两个容器。

这是一个不伴随能量变化的自发过程。

关于此过程的下列说法不正确的是（　　）

A．此过程是从混乱程度小的向混乱程度大的变化过程，即熵增大的过程

B．此过程为自发过程，而且没有热量的吸收或放出

C．此过程是自发可逆的

D．此过程从有序到无序，混乱度增大

解析：

选C　气体混合后，不可能分开，所以此过程不可逆。

5．二氧化碳的捕捉与封存是实现温室气体减排的重要途径之一，也是未来实现低碳经济转型的重要环节。

一些科学家利用太阳能加热反应器来“捕捉”空气中的CO2（如图所示）。

下列说法中正确的是（　　）

A．步骤一中将反应器加热到400℃，可提高CaCO3的生成速率

B．步骤一中生成CaCO3的反应为吸热反应

C．步骤一与步骤二中的反应互为可逆反应

D．步骤二中反应的ΔS<0

解析：

选A　CaO与CO2的反应为放热反应，B项错误；生成CaCO3的反应和CaCO3分解反应的反应条件不同，二者不互为可逆反应，C项错误；反应CaCO3（s）

CaO（s）＋CO2（g）的ΔS>0，D项错误。

6．下列反应过程中，ΔH>0且ΔS>0的是（　　）

A．NH3（g）＋HCl（g）===NH4Cl（s）

B．CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）

C．4Al（s）＋3O2（g）===2Al2O3（s）

D．HCl（aq）＋NaOH（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l）

解析：

选B　A是熵减的放热反应；C是熵减的放热反应；D是放热反应。

7．250℃和1.01×105Pa时，反应2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）　ΔH＝＋56.76kJ·mol－1，自发进行的原因是（　　）

A．是吸热反应　　　　B．是放热反应

C．是熵减反应D．熵增效应大于能量效应

解析：

选D　由所给的热化学方程式可知，该反应为吸热、熵增加的反应，由ΔH－TΔS<0知熵的变化是自发进行的原因。

8．下列对熵变的判断中不正确的是（　　）

A．少量的食盐溶解于水中：

ΔS>0

B．炭和氧气反应生成CO（g）：

ΔS>0

C．气态水变成液态水：

ΔS>0

D．CaCO3（s）受热分解为CaO（s）和CO2（g）：

ΔS>0

解析：

选C　食盐溶于水是典型的熵增加过程；2C（s）＋O2（g）===2CO（g），气体的物质的量增大，为熵增加的反应；气态水变成液态水是体系混乱度减小的过程，为熵减小的过程；CaCO3（s）的分解产生了气体，为熵增加反应。

9．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：

选D　根据复合判据ΔH－TΔS<0时反应自发进行，ΔH－TΔS>0时反应非自发进行，又因为ΔH>0，ΔS<0，T>0，故ΔH－TΔS>0，此反应为非自发进行的反应。

10．反应CH3OH（l）＋NH3（g）===CH3NH2（g）＋H2O（g）在某温度下自发向右进行，若反应|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：

选A　该反应在某温度下自发向右进行，说明ΔH－TΔS＝－17kJ·mol－1；又由于该反应气态物质的物质的量增大，是熵增大的反应，其熵变ΔS是正值，只有ΔH＝17kJ·mol－1，才有ΔH－TΔS＝－17kJ·mol－1。

11．下列关于化学反应的自发性叙述中正确的是（　　）

A．焓变小于0而熵变大于0的反应肯定是自发的

B．焓变和熵变都小于0的反应肯定是自发的

C．焓变和熵变都大于0的反应肯定是自发的

D．熵变小于0而焓变大于0的反应肯定是自发的

解析：

选A　用复合判据ΔG＝ΔH－TΔS判断：

①当ΔH>0，ΔS>0时，不能判断ΔG＝ΔH－TΔS正负。

②当ΔH>0，ΔS<0时，ΔG＝ΔH－TΔS>0，反应为非自发反应。

③当ΔH<0，ΔS>0时，ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应一定是自发反应。

④当ΔH<0，ΔS<0时，不能判断ΔG＝ΔH－TΔS正负。

12．下列对化学反应预测正确的是（　　）

选项

化学反应方程式

已知条件

预测

A

M（s）===X（g）＋Y（s）

ΔH>0

它是非自发反应

B

W（s）＋xG（g）===2Q（g）

ΔH<0，自发反应

x可能等于1、2、3

C

4X（g）＋5Y（g）===4W（g）＋6G（g）

能自发反应

ΔH一定小于0

D

4M（s）＋N（g）＋2W（l）===4Q（s）

常温下，自发进行

ΔH>0

解析：

选B　根据复合判据：

ΔG＝ΔH－T·ΔS，M（s）===X（g）＋Y（s），固体分解生成气体，为熵增反应，ΔH>0时，在高温下能自发进行，A错误；W（s）＋xG（g）===2Q（g）　ΔH<0，能自发进行，若熵增，任何温度下都能自发进行，若熵减，在低温条件下能自发进行，所以，G的计量数不确定，x等于1、2或3时，都符合题意，B正确；4X（g）＋5Y（g）===4W（g）＋6G（g）是熵增反应，当ΔH>0时，在高温下能自发进行，C错误；4M（s）＋N（g）＋2W（l）===4Q（s）为熵减反应，常温下能自发进行，说明该反应一定是放热反应，D错误。

二、非选择题

13．在化学反应A（g）＋B（g）

2C（g）＋D（g）　ΔH＝QkJ·mol－1过程中的能量变化如图所示，回答下列问题。

（1）Q________0（填“>”“<”或“＝”）。

（2）熵变ΔS________0（填“>”“<”或“＝”）。

（3）该反应________自发进行（填“能”或“不能”）。

（4）升高温度平衡常数K________（填“增大”“减小”或“不变”），平衡向________方向移动。

解析：

据图像可知，该反应是放热反应，故Q<0。

据反应特点可知，该反应是熵增大的反应，故ΔS>0；据此可知该反应能自发进行；升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小。

答案：

（1）<　

（2）>　（3）能　（4）减小　逆反应

14．某化学科研小组研究在其他条件不变时，改变某一条件对反应[可用aA（g）＋bB（g）

cC（g）表示]化学平衡的影响，得到如图所示图像（p表示压强，T表示温度，n表示物质的量，α表示平衡转化率）。

分析图像，回答下列问题：

（1）在图像反应Ⅰ中，若p1>p2，则此反应的正反应为________（填“吸热”或“放热”）反应，也是一个气体分子数________（填“减少”或“增多”）的反应。

由此判断，此反应自发进行，必须满足的条件是________。

（2）在图像反应Ⅱ中，T1________T2（填“>”“<”或“＝”），该反应的正反应为________（填“吸热”或“放热”）反应。

（3）在图像反应Ⅲ中，若T1>T2，则该反应能否自发进行？

________________。

解析：

（1）反应Ⅰ中恒压下，温度升高，α（A）减小，即升高温度平衡逆向移动，则正反应为放热反应，ΔH<0；由p1>p2知相同温度时，压强增大，α（A）增大，即增大压强平衡正向移动，说明此反应为气体分子数减少的反应（a＋b>c），即为熵减反应，ΔS<0。

放热、熵减反应只能在低温下自发进行。

（2）反应Ⅱ中T1温度下反应先达到平衡状态，说明T1>T2；温度越高，平衡时C的物质的量越小，即升高温度平衡逆向移动，则正反应为放热反应，ΔH<0。

（3）反应Ⅲ中在恒温下压强变化对α（A）没有影响，说明压强变化不能影响平衡，此反应为气体分子数不变的反应（a＋b＝c），反应过程中熵变很小，ΔS≈0，若T1>T2，恒压下，温度越高，α（A）越小，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应，ΔH<0，则ΔH－TΔS<0，反应能自发进行。

答案：

（1）放热　减少　低温

（2）>　放热（3）能自发进行

15．已知一个可逆反应，若正反应可自发过程，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＝980K时ΔH－TΔS＝0。

当体系温度低于980K时，估计ΔH－TΔS________0（填“大于”“小于”或“等于”，下同）；当体系温度高于980K时，估计ΔH－TΔS________0。

（2）电子工业中清洗硅片上的SiO2（s）的反应为SiO2（s）＋4HF（g）===SiF4（g）＋2H2O（g）　ΔH（298.15K）＝－94.0kJ·mol－1　ΔS（298.15K）＝－75.8J·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是________。

解析：

（1）C（s）＋CO2（g）

2CO（g）的反应为吸热反应，ΔH>0，则2CO（g）

CO2（g）＋C（s）为放热反应，ΔH<0，且该反应ΔS<0，则当T<980K时，ΔH－TΔS<0，T>980K时，ΔH－TΔS>0。

（2）由题给信息可知，要使反应能自发进行，应有ΔH－TΔS<0，即－94.0kJ·mol－1－T（－75.8×10－3kJ·mol－1·K－1）<0，则T<

≈1240K

答案：

（1）小于　大于　

（2）小于1240K

[能力提升]

16．已知在100kPa、298.15K时石灰石分解反应：

CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）　ΔH＝＋178.3kJ·mol－1　ΔS＝160.4J·mol－1·K－1，则：

（1）该反应________（填“能”或“不能”）自发进行。

（2）据本题反应数据分析，温度________（填“能”或“否”）成为反应方向的决定因素。

（3）若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度为________。

解析：

（1）ΔH－TΔS＝178.3kJ·mol－1－298.15K×160.4×10－3kJ·mol－1·K－1＝130.5kJ·mol－1>0，所以该反应不能自发进行。

（2）因为该反应ΔH>0、ΔS>0，所以根据ΔH－TΔS可知在温度较高的时候，ΔH－TΔS<0，反应可自发进行。

（3）根据ΔH－TΔS<0时，反应可自发进行，则有：

T>

≈1111.6K。

答案：

（1）不能　

（2）能　（3）1111.6K

17．有A、B、C、D四反应：

反应

A

B

C

D

ΔH（kJ·mol－1）

10.5

1.80

－126

－11.7

ΔS（J·mol－1·K－1）

30.0

－113.0

84.0

－105.0

则在任何温度下都能自发进行的反应是______；（填反应字母，下同）任何温度下都不能自发进行的反应是______；另两个反应中，在温度高于______℃时可自发进行的反应是______；在温度低于______℃时可自发进行的反应是______。

解析：

在任何温度下都能自发进行的反应中ΔH－TΔS恒小于0，即ΔH＜0，ΔS＞0，满足此条件的为反应C。

任何温度下都不能自发进行的反应中ΔH－TΔS恒大于0，即ΔH＞0，ΔS＜0，满足此条件的为反应B。

反应A的复合判据ΔH－TΔS＝10500J·mol－1－T×30.0J·mol－1·K－1，当T＞350K，即t＞76.85℃时，ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行。

反应D的复合判据ΔH－TΔS＝－11700J·mol－1＋T×105.0J·mol－1·K－1，当T＜111.43K，即t＜－161.72℃时，ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行。

答案：

C　B　76.85　A　－161.72　D