高中化学 人教版选修4 第二章第四节 化学反应进行的方向 教学设计教案 学案.docx
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高中化学人教版选修4第二章第四节化学反应进行的方向教学设计教案学案
第四节 化学反应进行的方向
1．了解放热反应的自发性和某些吸热反应的自发性。
2.通过“有序”和“无序”的对比，理解熵的概念。
3．初步了解焓变和熵变对化学反应方向的影响，能用焓变和熵变说明化学反应进行的方向。
自发过程与自发反应
1．自发过程
（1）含义：
在一定条件下，不用借助于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．自发反应
在一定条件下无需外界帮助就能自发进行的反应。
1．正误判断：
正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例。
语句描述
正误
阐释错因或列举反例
（1）自发过程不需任何条件就能发生
（2）水由高处向低处流属于自发过程
（3）铁在潮湿空气中生锈属于非自发过程
（4）从高能转变为低能的过程，一定是自发过程
（5）日常生活中，气温升高时冰雪自动融化属于自发过程
答案：
（1）× 自发过程需要在一定“外界条件”下才能发生
（2）√
（3）× 该过程属于自发过程
（4）× 不一定，如4NO2＋O2===2N2O5反应放热，其不是自发过程
（5）√
2．自发反应一定能发生反应，而非自发反应一定不能发生反应吗？
说明理由。
答案：
不一定。
自发反应和非自发反应是指该反应过程是否有自发进行的倾向，而这个过程是否一定会发生则不能确定。
例如，碳的燃烧是一个自发反应，但需要借助外界条件“点燃”反应才能发生。
1．下列过程是非自发的是（ ）
A．水由高处向低处流
B．室温下水结成冰
C．气体从高密度处向低密度处扩散
D．煤气的燃烧
解析：
选B。
自然界中水由高处向低处流、煤气的燃烧、气体从高密度处向低密度处扩散、室温下冰的融化都是自发过程，其逆向都是非自发的。
2．下列过程是自发进行的吸热反应的是（ ）
A．NaOH与HCl反应
B．CO与O2点燃条件下发生反应
C．消石灰与氯化铵晶体的反应
D．SO3与H2O反应
解析：
选C。
题中四个反应都可自发进行，但A、B、D三项中的反应都为放热反应，只有C项是吸热反应。
化学反应方向的判断
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）局限性
有些吸热反应也可以自发进行。
例如：
①2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）
ΔH＝＋56.7kJ/mol
②（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）
ΔH＝＋74.9kJ/mol
2．熵判据
（1）熵
用来量度体系混乱（或无序）程度的物理量。
熵值越大，混乱程度越大，符号为S，单位为J/（mol·K）。
（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
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。
（5）局限性
有些熵值减小的反应，在一定条件下也能自发进行。
例如：
2Al（s）＋Fe2O3（s）===Al2O3（s）＋2Fe（s）
ΔS＝－39.35J/（mol·K）
该反应是熵减过程，但在高温下能自发进行。
3．复合判据
（1）过程自发性与过程发生的关系
过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定发生和过程发生的速率，若允许外界对体系施加某种作用，就可能出现相反的结果。
综合考虑焓判据和熵判据的复合判据，将更适合于所有的过程，只根据一个方面来判断反应进行的方向是不全面的。
（2）利用ΔG＝ΔH－TΔS判断化学反应自发性
①ΔG<0，反应能自发进行；
②ΔG＝0，反应处于平衡状态；
③ΔG>0，反应不能自发进行。
1．正误判断：
正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例。
语句描述
正误
阐释错因或列举反例
（1）体系有序性越高，熵值就越大
（2）自发过程有导致体系的熵增大的倾向
（3）同种物质气态时熵值最大
（4）过程自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程发生的速率
答案：
（1）× 体系有序性越高，熵值越小
（2）√
（3）√
（4）× 过程自发性不能确定过程发生的速率
2．放热反应是否都能自发进行？
吸热反应是否都不能自发进行？
举例说明。
答案：
多数能自发进行的化学反应是放热反应，但有些吸热反应也能自发进行。
如NH4HCO3（s）＋CH3COOH（aq）===CH3COONH4（aq）＋CO2（g）＋H2O（l） ΔH＝＋37.30kJ/mol能自发进行。
3．熵增的反应是否都能自发进行？
熵减的反应是否都不能自发进行？
答案：
多数能自发进行的化学反应是熵增的反应，但有些熵减的反应也能自发进行。
1．（2019·邯郸高二质检）以下自发反应可用焓判据来解释的是（ ）
A．硝酸铵自发溶于水
B．2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）
ΔH＝＋56.7kJ/mol
C．（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）＋NH3（g）
ΔH＝＋74.9kJ/mol
D．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l） ΔH＝－571.6kJ/mol
解析：
选D。
焓判据能够说明放热反应为自发反应，而A、B、C三项中的自发过程均为吸热过程，显然不能单用焓判据来解释，只有D项可以用焓判据来解释。
2．下列对熵变的判断中不正确的是（ ）
A．少量的食盐溶于水中：
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，为熵增加的反应。
3．反应FeO（s）＋C（s）===Fe（s）＋CO（g） ΔH＞0、ΔS＞0，下列说法正确的是（ ）
A．低温下自发进行，高温下非自发进行
B．高温下自发进行，低温下非自发进行
C．任何温度下均为非自发进行
D．任何温度下均为自发进行
解析：
选B。
ΔH＞0，ΔS＞0，低温下ΔH－TΔS＞0，反应不能自发进行，高温下ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行，B正确。
判断化学反应自发性的方法
焓变（ΔH）
熵变（ΔS）
反应在某状况下能否自发进行
<0
>0
能自发进行
>0
<0
不能自发进行
<0
<0
取决于温度
>0
>0
取决于温度
学习小结
1.焓判据：
放热过程中体系能量降低，ΔH＜0，反应具有自发进行的倾向。
2.熵判据：
在密闭条件下，体系有自发地向混乱度增加（ΔS＞0）的方向转变的倾向。
3.同一物质由固态（s）→液态（l）→气态（g）的过程为熵值增大的过程，ΔS＞0；反之，为熵值减小的过程，ΔS＜0。
4.当ΔH<0，ΔS>0，反应能自发进行；当ΔH>0，ΔS<0，反应不能自发进行。
5.过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生以及过程发生的速率。
课后达标检测
一、选择题
1．知道了某过程有自发性之后，则下列说法正确的是（ ）
A．可判断过程的方向
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：
选A。
判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与反应是否一定会发生、反应的快慢、反应的热效应无关。
2．下列关于化学反应焓变的叙述中，正确的是（ ）
A．化学反应的焓变与反应的方向无关
B．化学反应的焓变直接决定了反应的方向
C．焓变为正的反应都是吸热反应
D．焓变为正的反应都能自发进行
解析：
选C。
反应能否自发进行（反应进行的方向）是由ΔH－TΔS决定的，与ΔH、ΔS和T都有关。
焓变只表达化学反应是释放能量还是吸收能量，不能用来独立判断反应的自发性。
3．（2019·宜昌高二月考）“熵”表示体系的混乱度，它的符号是“S”。
下列变化中，ΔS<0的是（ ）
A．3Fe（s）＋4H2O（g）===Fe3O4（s）＋4H2（g）
B．2NO2（g）===N2O4（l）
C．2IBr（l）===I2（s）＋Br2（g）
D．（NH4）2CO3（s）===2NH3（g）＋CO2（g）＋H2O（g）
解析：
选B。
选项B中的反应是由气体转化为液体，混乱度减小，ΔS<0。
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．25℃、1.01×105Pa时，2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g）是熵增的反应
解析：
选C。
对于同一物质，由固→液→气三态熵值逐渐增大，故A正确；熵指的是体系混乱程度，越混乱其熵值越大，故B正确；自发过程有熵增的倾向，故C错误；对于D选项中的反应，由于反应后气体分子数增多，熵值增大，故D正确。
5．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。
6．25℃、1.01×105Pa时，反应2N2O5（g）===4NO2（g）＋O2（g） ΔH＝＋56.76kJ/mol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，该反应为熵增加的吸热反应，其中熵的变化是自发进行的原因。
7．下列反应在常温下均为非自发反应，在高温下仍为非自发的是（ ）
A．2Ag2O（s）===4Ag（s）＋O2（g）
B．2Fe2O3（s）＋3C（s）===4Fe（s）＋3CO2（g）
C．N2O4（g）===2NO2（g）
D．6C（s）＋6H2O（l）===C6H12O6（s）
解析：
选D。
A.2Ag2O（s）===4Ag（s）＋O2（g）是吸热的熵增反应，在高温下能自发进行，故A不选；B.2Fe2O3（s）＋3C（s）===4Fe（s）＋3CO2（g）是吸热的熵增反应，在高温下能自发进行，故B不选；C.N2O4（g）===2NO2（g）是吸热的熵增反应，在高温下能自发进行，故C不选；D.6C（s）＋6H2O（l）===C6H12O6（s）是吸热的熵减反应，无论在低温还是高温下均为非自发反应，故D选。
8．实现“节能减排”和“低碳经济”的一项重要课题就是如何将CO2转化为可利用的资源。
目前工业上有一种方法是用CO2来生产燃料甲醇。
一定条件下发生反应：
CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g），如图表示该反应过程中能量（单位为kJ·mol－1）的变化。
下列关于该反应的说法中，正确的是（ ）
A．ΔH＞0，ΔS＞0B．ΔH＞0，ΔS＜0
C．ΔH＜0，ΔS＜0D．ΔH＜0，ΔS＞0
解析：
选C。
根据反应过程中能量变化的情况可知反应物的总能量高于生成物的总能量，反应放热，ΔH＜0；该反应发生后气体的物质的量减小，ΔS＜0。
9．已知吸热反应2CO（g）===2C（s）＋O2（g），设ΔH和ΔS不随温度而变化，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．任何温度下都能自发进行
D．任何温度下都不能自发进行
解析：
选D。
已知反应2CO（g）===2C（s）＋O2（g）的ΔH＞0，ΔS＜0，所以ΔH－TΔS＞0，反应在任何温度下都不能自发进行，A、B、C错误，D正确。
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：
选A。
该反应在一定温度下能够自发的向右进行，这说明ΔH－TΔS一定是小于0，根据方程式可知该反应的ΔS＞0，所以如果ΔH＜0，则该反应在任何温度下都是自发进行的，而该反应在一定温度下才能自发的向右进行，因此该反应的反应热ΔH＞0，故选A。
11．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，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
解析：
选C。
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进行，故自发进行的原因是反应放热。
12．下列内容与结论不相对应的是（ ）
选项
内容
结论
A
一个反应的ΔH>0，ΔS>0
反应一定不能自发进行
B
硝酸铵溶于水可自发进行
因为该反应的ΔS>0
C
H2O（g）变成H2O（l）
ΔS<0
D
H2（g）＋F2（g）===2HF（g）的ΔH＝－271kJ·mol－1，ΔS＝＋8J·mol－1·K－1
反应在任意温度下都能自发进行
解析：
选A。
A.根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，如果一个反应的ΔH＞0、ΔS＞0，则在高温下可以自发进行，A错误；B.硝酸铵溶于水为熵增的过程，B正确；C.对于同一种物质气态时熵值最大，其次是液体、固态，因此H2O（g）变成H2O（l），熵变小于0，C正确；D.由于该反应是放热的熵增反应，因此ΔG＝ΔH－TΔS＜0，反应在任意温度下都能自发进行，D正确。
二、非选择题
13．在化学反应A（g）＋B（g）2C（g）＋D（g） ΔH＝QkJ·mol－1发生的过程中，能量变化如图所示，回答下列问题。
（1）Q________（填“＞”“＜”或“＝”）0。
（2）熵变ΔS________（填“＞”“＜”或“＝”）0。
（3）该反应________（填“能”或“不能”）自发进行。
（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：
（1）根据图像可知，该反应是放热反应，故Q＜0。
（2）根据反应特点可知，该反应是熵值增大的反应。
（3）根据ΔG＝ΔH－TΔS<0可知，该反应能自发进行。
（4）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．根据所学的知识和经验，判断下列变化在常温下的焓变、熵变及方向性，填表。
变化
ΔH
ΔS
方向性
H2O（l）―→H2O（g）
CaO（s）＋SO2（g）===CaSO3（s）
2Fe3＋（aq）＋Cu（s）===
2Fe2＋（aq）＋Cu2＋（aq）
NH4Cl（s）===HCl（g）＋NH3（g）
解析：
先判断ΔH的“＋”“－”，再由S（g）＞S（l）＞S（s）判断ΔS的“＋”“－”，最后根据常温（298K）判断ΔH－TΔS的“＋”“－”。
答案：
变化
ΔH
ΔS
方向性
H2O（l）―→H2O（g）
＞0
＞0
不能
自发
CaO（s）＋SO2（g）===CaSO3（s）
＜0
＜0
自发
2Fe3＋（aq）＋Cu（s）===
2Fe2＋（aq）＋Cu2＋（aq）
＜0
＞0
自发
NH4Cl（s）===HCl（g）＋NH3（g）
＞0
＞0
不能
自发
15.已知在100kPa、298.15K时石灰石的分解反应为CaCO3（s）===CaO（s）＋CO2（g） ΔH＝＋178.3kJ/mol ΔS＝
＋160.4J/（mol·K）。
回答下列问题：
（1）该反应________（填“能”或“不能”）自发进行。
（2）根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。
（3）若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度是________（保留一位小数）。
解析：
（1）ΔG＝ΔH－TΔS＝＋178.3kJ/mol－298.15K×（＋160.4×10－3）kJ/（mol·K）≈＋130.5kJ/mol＞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ΔG＝ΔH－TΔS可知，在温度较高的时候，ΔG可能小于0。
（3）根据ΔH－TΔS<0时，反应可自发进行，则反应自发进行的最低温度T＝
≈1111.6K。
答案：
（1）不能
（2）能 （3）1111.6K
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