高中化学人教版选修四导学案第二章《化学反应速率和化学平衡》第四节.docx
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高中化学人教版选修四导学案第二章《化学反应速率和化学平衡》第四节
第四节 化学反应进行的方向
[学习目标定位] 了解自发过程和自发反应的主要特点,了解焓判据、熵判据的含义,会用焓变和熵变判断反应进行的方向。
一 自发过程和自发反应
1.根据是否有外力作用,过程可分为自发过程和非自发过程。
自发过程是在一定条件下,不借助外力而自发进行的过程。
回答下列问题:
(1)下列现象的发生,你认为是自发过程的是________(填字母)。
A.水由高处往低处流B.气温升高冰雪融化
C.室温下,水自动结成冰D.生锈的铁变光亮
答案 AB
(2)自发过程具有的特点
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
体系趋向于从有序状态转变为无序状态。
2.有下列化学反应:
①白磷自燃、②氯化氢分解、③煤燃烧、④钠与水反应、⑤酸碱中和反应,其中属于能自发进行的化学反应(简称自发反应)的是①④⑤,属于放热反应的是①③④⑤。
归纳总结
关于自发反应的理解
二 化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系
1.化学反应进行的方向与焓变的关系
(1)分析下列反应进行的方向与ΔH之间的关系:
①NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l),酸碱中和反应是放热反应,ΔH<0,常温下能自发进行。
②2Na(s)+2H2O(l)===2NaOH(aq)+H2(g),该反应是放热反应,ΔH<0,常温下能自发进行。
③NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH>0,该反应在常温下能自发进行。
④CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g) ΔH>0,该反应在常温下不能自发进行,但在较高温度下能自发进行。
(2)自发反应与焓变的关系
多数自发进行的化学反应是放热反应,但也有很多吸热反应能自发进行,因此,反应焓变是与反应进行的方向有关的因素之一,但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。
2.化学反应进行的方向与熵变的关系
(1)熵的概念
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。
(2)影响熵大小的因素
①同一条件下,不同的物质熵值不同。
②同一物质的熵与其聚集状态及外界条件有关,如对同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。
③物质的量越大,分子数越多,熵值越大。
(3)熵判据
在与外界隔离的体系中,自发过程将导致体系的熵增大,即熵变(符号ΔS)大于零,这个原理叫做熵增原理。
在用熵变来判断过程的方向时,就称为熵判据。
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。
(4)反应熵变是与反应进行的方向有关的因素之一,但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。
如:
2Al(s)+Fe2O3(s)===Al2O3(s)+2Fe(s) ΔS=-39.35J·mol-1·K-1,上述反应为熵减少的反应,但在一定条件下,该反应也能自发进行。
说明“熵判据”也具有一定的局限性。
归纳总结
化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系
(1)从焓变(能量)角度:
ΔH<0,有利于反应自发进行。
(2)从熵变角度:
ΔS>0,有利于反应自发进行。
(3)在实际的化学反应中,若ΔH与ΔS符号相同时,对化学反应的方向的影响作用出现矛盾,因此,在分析一个具体化学反应自发进行的方向时,不能孤立地使用焓判据或熵判据来分析,否则,可能会得出错误的结论。
1.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·mol-1
B.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g)
ΔH=+74.9kJ·mol-1
C.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)
ΔH=-571.6kJ·mol-1
D.CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)
ΔH=+178.2kJ·mol-1
答案 C
解析 从焓变的角度分析,化学反应由高能状态向低能状态转化,使体系能量降低的趋势,表现为放热反应较易进行。
2.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
答案 A
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自由能变化的关系
1.用焓变和熵变的复合判据判断反应的方向
(1)由焓判据知放热反应是易进行的;由熵判据知熵值增加是自发的。
很多情况下用不同的判据判定同一个反应,可能会出现相反的判断结果。
(2)体系的自由能变化(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的方向的判断,ΔG=ΔH-TΔS。
(3)在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向ΔG=ΔH-TΔS<0的方向进行,直到达平衡状态。
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
2.已知反应:
2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在298K、101kPa的条件下,其ΔH=-113.0kJ·mol-1,
ΔS=-145.3J·mol-1·K-1。
该反应______(填“能”或“不能”)用于消除汽车尾气中的NO,理由为____________。
答案 能 该反应的ΔH-TΔS=-69.7kJ·mol-1<0,说明该反应在理论上是可行的,所以能用于消除汽车尾气中的NO
解析 ΔG=ΔH-TΔS=-113.0kJ·mol-1-298K×(-145.3×10-3kJ·mol-1·K-1)=-69.7kJ·mol-1<0,故理论上该反应能自发进行。
归纳总结
化学反应进行的方向与自由能变化的关系
1.复合判据判断反应方向的有关规律
(1)当ΔH<0,ΔS>0,则ΔG<0,反应一定能自发进行。
(2)当ΔH>0,ΔS<0,则ΔG>0,反应一定不能自发进行。
(3)当ΔH>0,ΔS>0或ΔH<0,ΔS<0时,反应能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。
2.反应发生的条件有多种,ΔG=ΔH-TΔS这个判据只能用于温度、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。
3.反应的自发性只能判断方向性,反应能否实现,还要看具体的反应条件。
3.已知反应:
2CO(g)===2C(s)+O2(g)。
设ΔH和ΔS不随温度而变化,下列说法正确的是( )
A.低温下是自发反应
B.高温下是自发反应
C.低温下是非自发反应,高温下是自发反应
D.任何温度下都是非自发反应
答案 D
解析 因为碳的不完全燃烧是放热反应,故该反应是吸热反应,且是熵减反应,在任何温度下都是非自发反应。
4.回答下列问题:
(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“=”)0,ΔS________(填“>”、“<”或“=”)0,在低温下,该反应________(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)超音速飞机在平流层飞行时,尾气中的NO会破坏臭氧层。
科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2,化学方程式为2NO+2CO2CO2+N2。
反应在常温下能够自发进行,则反应的ΔH________(填“>”、“<”或“=”)0。
(3)已知在100kPa、298K时石灰石分解反应CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)的ΔH>0,ΔS>0,则:
①该反应常温下________(填“能”或“不能”)自发进行。
②据本题反应数据分析,温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素。
(4)已知CaSO4(s)+CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g) ΔH=+218kJ·mol-1,该反应能够自发进行的反应条件是________。
(5)某吸热反应能自发进行,则该反应的ΔS________(填“>”或“<”)0。
答案
(1)> > 不能
(2)< (3)①不能 ②能 (4)高温 (5)>
解析
(1)该反应为吸热反应,化学反应后气体的化学计量数之和增加,所以ΔH<0,ΔS>0,故ΔG=ΔH-TΔS<0,反应不能自发进行。
(2)因为ΔS<0,且ΔG=ΔH-TΔS<0,故ΔH<0。
(3)①常温下石灰石不分解。
②该反应的ΔH>0,ΔS>0,属于熵增加的吸热反应,故在高温下该反应能够自发进行。
(4)自发反应的条件是ΔH-TΔS<0,即ΔH0,故T>
,即T值较大,该反应应在高温下进行。
(5)吸热反应能自发进行,即ΔH>0,ΔH-TΔS<0,又知T>0,故ΔS>0。
1.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
答案 C
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。
2.下列说法完全正确的是( )
A.自发进行的反应均是放热反应
B.ΔS为正值的反应均能自发进行
C.物质的量增加的反应,ΔS为正值
D.CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g):
ΔS>0
答案 D
解析 有些吸热反应也可以自发进行,如(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g),故A错;熵变与反应的自发性有关,但不能独立地作为反应是否自发的判据,故B错;物质的量增加的反应,其混乱度不一定增加,即ΔS不一定为正值,如2H2S(g)+O2(g)===2H2O(l)+2S(s),故C错;CaCO3(s)的分解产生了气体,为熵增加反应,故D正确。
3.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
答案 A
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。
4.在25℃、1.01×105Pa下,反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH=+56.7kJ·mol-1能自发进行的合理解释是( )
A.该反应是分解反应
B.该反应的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
答案 B
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。
5.回答下列问题:
(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO:
2CO(g)===2C(s)+O2(g)。
已知该反应的ΔH>0,简述该设想能否实现的依据:
___________________________
________________________________________________________________________。
(2)下列反应中,在高温下不能自发进行的是________(填字母)。
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)
(3)运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义,请完成下列探究。
生产氢气:
将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。
C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g) ΔH=+131.3kJ·mol-1,ΔS=+133.7J·mol-1·K-1,该反应在低温下________(填“能”或“不能”)自发进行。
答案
(1)该反应是ΔH>0、ΔS<0的反应,任何温度下均不能自发进行
(2)a (3)不能
解析
(1)该反应ΔH>0、ΔS<0,根据ΔG=ΔH-TΔS,ΔG>0,故不能实现该反应。
(2)a、b、c、d的ΔH>0,b、c、d反应的ΔS>0,ΔH-TΔS<0时,反应才能自发进行。
a项ΔS<0,ΔH-TΔS>0,所以在高温时该反应不能自发进行。
(3)根据ΔG=ΔH-TΔS<0为自发反应知,现ΔH=+131.3kJ·mol-1,ΔS=+133.7J·mol-1·K-1=+0.1337kJ·mol-1·K-1,解得在T>
≈982.0K时该反应能自发进行,由此可知该反应在低温下不能自发进行。
40分钟课时作业
[经典基础题]
题组1 反应的焓变和熵变与反应的方向
1.下列说法正确的是( )
A.放热反应的焓变小于零,熵变大于零
B.放热及熵增加的反应,一定能自发进行
C.放热反应的焓变大于零,熵变小于零
D.放热及熵减小的反应,一定能自发进行
答案 B
解析 放热反应的焓变小于0,熵变不一定大于0,A项和C项不正确;放热及熵增加的反应,ΔH-TΔS<0,一定能自发进行,B项正确;放热及熵减小的反应,ΔH-TΔS不一定能自发反应。
2.下列反应中,一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g)
ΔH=-78.03kJ·mol-1 ΔS=+1110J·mol-1·K-1
B.CO(g)===C(s,石墨)+
O2(g) ΔH=+110.5kJ·mol-1 ΔS=-89.36J·mol-1·K-1
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH=-444.3kJ·mol-1 ΔS=-280.1J·mol-1·K-1
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH=+37.30kJ·mol-1 ΔS=+184.0J·mol-1·K-1
答案 B
解析 根据ΔH-TΔS<0,能发生自发反应来解答。
3.已知下列过程都能自发进行,其中不能用“焓判据”解释的是( )
A.2Na(s)+Cl2(g)===2NaCl(s) ΔH<0
B.C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(l) ΔH<0
C.2NH4Cl(s)+Ca(OH)2(s)===2NH3(g)+CaCl2(s)+2H2O(l) ΔH>0
D.2Mg(s)+O2(g)===2MgO(s) ΔH<0
答案 C
解析 焓判据是指ΔH<0的反应有利于自发进行,C项反应的ΔH>0,按焓判据反应不能发生,而题给条件是能自发进行,所以不能用“焓判据”解释该反应为自发反应。
4.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。
题组2 化学反应方向的判断
5.下列关于化学反应的自发性叙述正确的是( )
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
答案 A
解析 ΔG=ΔH-TΔS
①当ΔH>0,ΔS>0时,不能判断ΔG=ΔH-TΔS的正负,与T有关;
②当ΔH>0,ΔS<0时,ΔG=ΔH-TΔS>0,非自发反应;
③当ΔH<0,ΔS>0时,ΔG=ΔH-TΔS<0,一定是自发反应;
④当ΔH<0,ΔS<0时,不能判断ΔH的正负,与T有关。
6.已知反应FeO(s)+C(s)===CO(g)+Fe(s)的ΔH>0(假定ΔH、ΔS不随温度而变化),下列叙述中正确的是( )
A.低温下为自发过程,高温下为非自发过程
B.高温下为自发过程,低温下为非自发过程
C.任何温度下均为非自发过程
D.任何温度下均为自发过程
答案 B
解析 由反应能否自发进行的判据ΔH-TΔS知:
ΔH>0、ΔS>0时,ΔH-TΔS的值的正、负不能确定,此时将由温度T决定。
当处于低温时,ΔH-TΔS>0,反应非自发进行;当温度升高,TΔS的值增大,当TΔS>ΔH,即ΔH-TΔS<0时,反应自发进行,所以该反应高温下自发进行,低温下非自发进行。
7.下列内容与结论相对应的是( )
选项
内容
结论
A
H2O(g)变成H2O(l)
ΔS>0
B
硝酸铵溶于水可自发进行
因为ΔS>0
C
一个反应的ΔH>0,ΔS>0
反应一定不自发进行
D
H2(g)+F2(g)===2HF(g)
ΔH=-271kJ·mol-1
ΔS=+8J·mol-1·K-1
反应在任意外界条件下均可自发进行
答案 B
解析 物质由气态变为液态,ΔS<0,A错误;NH4NO3溶于水是吸热的熵增加过程,正是因为ΔS>0,使过程可自发进行,B正确;ΔH>0,ΔS>0时,在高温下能自发进行,C错误;因反应的ΔH、ΔS均是在标准状况下测定的,故反应能否自发进行与外界条件有关,D错误。
8.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( )
理想气体的自发混合
A.此过程是从混乱程度小的状态向混乱程度大的状态变化过程,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
答案 C
解析 气体扩散过程是熵增加的过程,A、D正确;该过程不伴随能量变化,B正确;两种气体混合后,不会再自发地分开,所以逆过程不能自发进行,C不正确。
9.下列说法正确的是( )
A.2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0
B.反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
C.CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0
D.常温下,反应C(s)+CO2(g)===2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH<0
答案 B
解析 A项,该反应能自发进行,则ΔH-TΔS<0,即ΔH0、ΔS<0(气体化学计量数反应后减小),则ΔH<0,B项正确;C项,该反应室温下不能自发进行,则ΔH-TΔS>0,即ΔH>TΔS,又知T>0、ΔS>0(气体化学计量数反应后增大),则ΔH>0,C项不正确;D项,该反应不能自发进行,则ΔH-TΔS>0,即ΔH>TΔS,又知T>0、ΔS>0(气体化学计量数反应后增大),则ΔH>0,D项不正确。
10.某化学反应在较低温度下自发反应,较高温度下非自发进行,有关该反应的下列说法正确的是( )
A.ΔH>0,ΔS>0B.ΔH>0,ΔS<0
C.ΔH<0,ΔS>0D.ΔH<0,ΔS<0
答案 D
解析 A项,ΔH>0,ΔS>0,要使ΔH-TΔS<0,T值应较大,即在高温下才能自发进行,错误;B项,ΔH>0,ΔS<0,ΔH-TΔS>0,任何温度下都不能自发进行,错误;C项,ΔH<0,ΔS>0,ΔH-TΔS<0一定成立,任何温度下都能自发进行,错误;D项,ΔH<0,ΔS>0,要使ΔH-TΔS<0,T值应较小,即在低温下才能自发进行,正确。
[能力提升题]
11.试判断下列体系的熵变(填“>0”或“<0”)。
(1)溶解少量蔗糖于水中,ΔS__________。
(2)乙烯聚合成聚乙烯,ΔS__________。
(3)CaCO3(s)加热分解成CaO(s)和CO2(g),ΔS_________________________________。
(4)水蒸气凝结成水,ΔS__________。
(5)25℃和1.01×105Pa时,反应2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) ΔH=+56.76kJ·mol-1能自发进行的原因是____________________________________________________________。
答案
(1)>0
(2)<0 (3)>0 (4)<0 (5)该反应是熵增反应,且常温下熵变ΔS对反应的方向性起决定作用
解析
(1)蔗糖溶于水,混乱度增大,属于熵增过程,ΔS>0。
(2)乙烯聚合成聚乙烯由气态转化为固态,混乱度减小,ΔS<0。
(3)CaCO3(s)加热分解成CaO(s)和CO2(g),物质的量增多且有气体产生,混乱度增大,属于熵增过程,ΔS>0。
(4)水蒸气凝结成水,由气态转化为液态,混乱度减小,ΔS<0。
(5)因ΔH>0,ΔS>0,ΔG=ΔH-TΔS<0时自发反应,因此ΔS>0对自发反应起决定作用。
12.工业上用赤铁矿生产铁,可以选择的还原剂有C和H2。
根据所学知识判断:
哪一种还原剂可使反应自发进行的温度较低?
已知:
Fe2O3(s)+
C(s)===2Fe(s)+
CO2(g)
ΔH=+233.8kJ·mol-1,ΔS=+0.279kJ·mol-1·K-1
Fe2O3(s)+3H2(g)===2Fe(s)+3H2O(g)
ΔH=+98kJ·mol-1,ΔS=+0.1442kJ·mol-1·K-1
答案 用H2作还原剂时反应自发进行的温度较低。
解析 根据ΔH-TΔS=0为平衡状态,ΔH-TΔS<0为自发状态,故T>
时,该反应能自发进行。
用C作还原剂时T1>
=
≈838.0K;用H2作还原剂时T2>
=
≈679.6K。
故用H2作还原剂时,反应自发进行的温度较低。
13.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