化学反应进行的方向.docx

化学反应进行的方向.docx

《化学反应进行的方向.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应进行的方向.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

化学反应进行的方向

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。

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（　　）

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在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向。

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。

3．自发过程和自发反应

自发过程

自发反应

含义

在一定条件下，不用借助外力作用就能自发进行的过程

在给定的一组条件下，可以自发进行到显著程度的化学反应

特征

具有方向性，即反应的某个方向在一定条件下是自发的，而其逆方向在该条件下是肯定不能自发进行的

举例

高山流水，自由落体运动

钢铁生锈

应用

（1）可被用来完成有用功。

如H2燃烧可设计成原电池

（2）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

探究点一　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）根据下图，回答有关问题。

①图1表示的反应释放能量，为放热反应，体系能量由高到低，趋向稳定，该过程一般能自发进行。

②图2表示的反应吸收能量，为吸热反应，体系能量由低到高，趋向不稳定，根据自发过程的特点，该反应一般不能自发进行。

（2）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。

（3）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不规则或无序状态程度的物理量，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）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]

从能量角度（即焓变）看，化学反应有趋向于最低能量状态的倾向，而从熵变角度看，化学反应有呈现最大混乱度的倾向，在实际的化学变化中，ΔH与ΔS倾向有时会出现矛盾，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。

[活学活用]

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．汽车尾气（含烃类、CO、NO与SO2等）是城市主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，其反应原理是2NO（g）＋2CO（g）===N2（g）＋2CO2（g）。

由此可知，下列说法中正确的是（　　）

A．该反应是熵增大的反应

B．该反应不能自发进行，因此需要合适的催化剂

C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂条件只是加快反应的速率

D．该反应常温下能自发进行，因为正反应是吸热反应

答案　C

解析　只使用催化剂便可使尾气发生转化，故此反应能自发进行；因反应是气体物质的量减小的反应，故熵减小；因熵减小不利于反应自发，故自发进行的原因是反应放热。

探究点二　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．判断下列反应在常温常压下能自发进行的是________（填序号）。

（1）2KClO3（s）===2KCl（s）＋3O2（g）　ΔH＝－78.03kJ·mol－1　ΔS＝＋494.4J·mol－1·K－1

（2）CO（g）===C（s，石墨）＋

O2（g）　ΔH＝＋110.5kJ·mol－1　ΔS＝－89.36J·mol－1·K－1

（3）4Fe（OH）2（s）＋2H2O（l）＋O2（g）===4Fe（OH）3（s）　

ΔH＝－444.3kJ·mol－1　ΔS＝－280.1J·mol－1·K－1

（4）CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）

ΔH＝＋178.2kJ·mol－1　ΔS＝＋169.6J·mol－1·K－1

答案　

（1）（3）

解析　

（1）ΔG＝ΔH－TΔS＝－78.03kJ·mol－1－298K×494.4×10－3kJ·mol－1·K－1＝－225.36kJ·mol－1<0。

常温常压下该反应能自发进行。

（2）ΔG＝ΔH－TΔS＝＋110.5kJ·mol－1－298K×（－89.36×10－3kJ·mol－1·K－1）＝＋137.13kJ·mol－1>0。

在常温常压下该反应不能自发进行。

（3）ΔG＝ΔH－TΔS＝－444.3kJ·mol－1－298K×（－280.1×10－3kJ·mol－1·K－1）＝－360.83kJ·mol－1<0。

此时焓变对反应的方向起决定性作用，常温常压下能自发进行。

（4）ΔG＝ΔH－TΔS＝＋178.2kJ·mol－1－298K×169.6×10－3kJ·mol－1·K－1＝＋127.66kJ·mol－1>0。

常温常压下该反应不能自发进行。

[归纳总结]

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。

[活学活用]

3．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。

4．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。

1．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。

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。

3．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·mol－1

②C（金刚石，s）＋O2（g）===CO2（g）ΔH＝－395.4kJ·mol－1

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

答案　B

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。

4．判断下列反应的熵值的变化，在每小题后面的横线上填上“增大”、“减小”或“无明显变化”。

（1）2H2（g）＋O2（g）

2H2O（l）___________________________。

（2）H2（g）＋Cl2（g）

2HCl（g）___________________________________________。

（3）（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）__________________________________________。

（4）Cu（s）＋Cl2（g）

CuCl2（s）_____________________________________________。

答案　

（1）减小　

（2）无明显变化　（3）增大　（4）减小

解析　对同一种物质，由于S（g）>S（l）>S（s），故气体→液体→固体是熵减的变化，反之是熵增的变化。

[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

答案　D

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

答案　A

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、熵变的关系

3．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

答案　C

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。

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·mol－1

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

C．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）ΔH＝－572kJ·mol－1

D．CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g）ΔH＝＋178.2kJ·mol－1

答案　C

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．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>0

B．纯碳和氧气反应生成CO（g）：

ΔS>0

C．水蒸气变成液态水：

ΔS>0

D．CaCO3（s）加热分解为CaO（s）和CO2（g）：

ΔS>0

答案　C

解析　水蒸气变成液态水是熵减小的过程。

6．冰融化为水的过程的焓变和熵变正确的是（　　）

A．ΔH>0，ΔS<0B．ΔH<0，ΔS>0

C．ΔH>0，ΔS>0D．ΔH<0，ΔS<0

答案　C

解析　冰融化为水是熵增，该过程吸热，ΔH>0。

7．25℃、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

答案　D

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。

三、复合判据的应用

8．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。

9．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。

10．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

答案　D

解析　因为ΔH>0，ΔS<0，T>0，故ΔH－TΔS>0，此反应为非自发进行的反应。

[能力提升]

11．在一定条件下，对于反应mA（g）＋nB（g）cC（g）＋dD（g），C物质的浓度（C%）与温度、压强的关系如图所示，下列判断正确的是（　　）

A．ΔH<0　ΔS>0B．ΔH>0　ΔS<0

C．ΔH>0　ΔS>0D．ΔH<0　ΔS<0

答案　A

解析　当T不变时，压强越大，C%越低，说明加压平衡左移，则m＋n0；温度越高，C%越低，说明升温，平衡左移，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，ΔH<0。

12．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。

13．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。

现把白锡制造的器皿放在0℃、101kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能继续使用（　　）

（已知在0℃、101kPa条件下白锡转化为灰锡的反应，焓变和熵变分别为ΔH＝－2180.9J·mol－1，ΔS＝－6.61J·mol－1·K－1）

A．会变B．不会变

C．不能确定D．升高温度才会变

答案　A

解析　在等温等压条件下，自发反应总是向着ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至平衡状态。

在0℃、101kPa条件下，白锡会不会变为灰锡就转化为求算反应白锡―→灰锡ΔH－TΔS的问题。

ΔH－TΔS＝－2180.9J·mol－1－273K×（－6.61J·mol－1·K－1）＝－376.37J·mol－1＜0，因此在此温度和压强下白锡会变为灰锡。

14.

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，ΔS<0，ΔH－TΔS>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。

[拓展探究]

15．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。