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第二单元　化学反应的方向与限度
第1课时　化学反应的方向
[核心素养发展目标]　1.证据推理与模型认知：了解判断化学反应进行方向的三个判据，构建判断化学反应自发性的思维方法模型。2.科学态度与社会责任：能结合具体事例说明反应自发进行的方向性，增强对化学反应自发性研究重要意义的认识。
一、自发反应
1．自发过程
自然界中有一些过程是自发进行的，而且是有方向性的。例如：水总是自发地从高处流向低处，而相反的过程却不能自发进行。
2．判断下列反应在室温下能否自动进行，如能自动进行，请写出相应的化学方程式
(1)铜与硫酸锌溶液的反应：不能自动进行。
(2)氯气与溴化钾溶液的反应：Cl2＋2KBr===2KCl＋Br2。
(3)乙烯与溴单质的四氯化碳溶液的反应：CH2==CH2＋Br2―→CH2Br—CH2Br。
(4)水分解成氢气和氧气的反应：不能自动进行。
3．自发反应
(1)概念：在一定条件下能自动进行的反应，我们称之为自发反应。
(2)特点：具有方向性，即许多化学反应的正反应能自动进行，而其逆反应无法自动进行。
(1)在一定条件下，不用借助外力就能自发进行的过程是自发过程(　　)
(2)自发反应不需任何条件就能发生(　　)
(3)室温下冰变成水属于自发过程(　　)
(4)能自发进行的反应，反应速率一定很大(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
1．已知：①2H2＋O22H2O；②2H2O2H2↑＋O2↑。①是自发反应，②是非自发反应，通过对上述反应的分析，思考：
(1)自发反应不需要任何条件就能发生吗？
(2)非自发反应一定不能发生吗？
提示　(1)自发反应也需要一定条件引发反应，一旦反应后即可自发进行。
(2)非自发反应也能在一定条件下发生。
2．知道了某个反应是自发反应后，能否知道某条件下是否发生？能否预测反应的快慢？
提示　判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢无关。
1．下列反应属于非自发反应的是(　　)
A．钠与水反应
B．氢气在氧气中燃烧生成水
C．水分解变成氢气和氧气
D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵
答案　C
2．下列关于自发反应的叙述中，正确的是(　　)
A．自发反应的逆过程在相同条件下也必定是自发的
B．铁在潮湿的空气中生锈属于非自发反应
C．自发过程可以是物理过程，不一定是自发反应，而自发反应一定是自发过程
D．自发反应与外界条件无关
答案　C
自发过程的判断
(1)根据条件判断：不是看是否需要条件，而是看是否需要持续施加外力(如加热等)。
(2)根据其逆向过程是否自发判断：若逆向过程自发，则正向过程一定不自发；若逆向过程不自发，则正向过程一定自发。
二、化学反应进行方向的判断依据
1．反应焓变与反应方向
(1)分析下列反应自发进行的可能原因：均是放热反应，ΔH＜0。
①C3H8(g)＋5O2(g)===3CO2(g)＋4H2O(l)
ΔH＝－2 217.5 kJ·mol－1
②2Na(s)＋Cl2(g)===2NaCl(s)
ΔH＝－822 kJ·mol－1
③4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)
ΔH＝－1 648.4 kJ·mol－1
④H2(g)＋F2(g)===2HF(g)　ΔH＝－546.6 kJ·mol－1
(2)实验探究自发反应的可能原因
实验操作
实验现象 锥形瓶和木板因水的结冰粘在了一起
实验结论 该反应能自发进行，且为吸热反应
(3)焓变与自发反应的关系
在恒压下，有些自发进行的化学反应是放热的(ΔH＜0)。但事实也证明，有些能自发进行的化学反应却是吸热的(ΔH＞0)。
因此，考察化学反应能否自发进行，不能直接用放热(ΔH＜0)或吸热(ΔH＞0)作为判断依据。
2．反应熵变与反应方向
(1)下列三个过程均吸热：
①硝酸铵的溶解
NH4NO3(s)===NH(aq)＋NO(aq)
②碳酸钙的分解
CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)
③氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应
2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)===2NH3(g)＋BaCl2(s)＋10H2O(l)
这些反应能自发进行的可能原因：体系的混乱度增大。
(2)熵
①熵是衡量一个体系混乱度的物理量。符号：S。
②影响熵值的因素：构成物质的微粒之间无规则排列的程度越大，体系的混乱度越大，熵越大。
(3)熵变：反应前后体系熵值的变化，符号：ΔS。
(4)熵变与化学反应进行方向的关系
①ΔS>0，体系的混乱度增大，有利于反应自发进行，但自发反应不一定ΔS>0。
②ΔS<0，体系的混乱度减小，不利于反应自发进行，但有些ΔS<0的化学反应也能自发进行。
③不能直接用熵增大(ΔS＞0)或熵减小(ΔS＜0)来判断化学反应能否自发进行。
小试牛刀　判断下列过程的熵变大于0还是小于0
H2O(s)―→H2O(l)―→H2O(g) ΔS＞0
2NaHCO3(s)Na2CO3(s)＋CO2(g)＋H2O(g) ΔS＞0
NaOH(s)===Na＋(aq)＋OH－(aq) ΔS＞0
N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔS＜0
3.焓变、熵变对反应方向的共同影响
(1)分析下列几种变化的方向性：
变化 能否 自发 焓变 熵变
CO2(s)―→CO2(g) 能 ΔH＞0 ΔS＞0
2Mg(s)＋O2(g)===2MgO(s) 能 ΔH＜0 ΔS＜0
K(s)＋H2O(l)===K＋(aq)＋OH－(aq)＋H2(g) 能 ΔH＜0 ΔS＞0
Ag＋(aq)＋Cl－(aq)===AgCl(s) 能 ΔH＜0 ΔS＜0
(2)仅利用ΔH或ΔS的数值，都不能判断某反应是否自发进行，必须综合考虑反应的焓变(ΔH)和熵变(ΔS)的大小。
①当ΔH＜0，ΔS＞0时，反应一定能自发进行。
②当ΔH＞0，ΔS＜0时，反应一定不能自发进行。
③当ΔH＞0、ΔS＞0或ΔH＜0、ΔS＜0时，反应是否自发进行与温度有关。
(1)放热反应一定能自发进行(　　)
(2)同种物质不同状态时熵值不同，气态时最大(　　)
(3)熵增加的反应一定能自发进行(　　)
(4)自发反应在任何条件下均可发生(　　)
(5)焓变与熵变均不是决定一个反应是否自发进行的唯一因素(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√
1．根据ΔH－TΔS<0时反应能自发进行，请分析ΔH>0、ΔS>0和ΔH<0、ΔS<0的反应分别在低温还是高温下自发进行？
提示　ΔH>0、ΔS>0的反应在高温下，ΔH－TΔS<0，能自发进行；ΔH<0、ΔS<0的反应在低温下，ΔH－TΔS<0，能自发进行。
2．下列过程属于熵增加过程的是____________(填序号)，判断的理由是________________________________________________________________________。
①水的汽化　②墨水在水中扩散　③氨气在空气中扩散
提示　①②③　这些过程均是混乱度增大的过程
1．(2020·南京月考)某反应2AB(g)??C(g)＋3D(g)在高温时能正向自发进行，其逆反应在低温时能正向自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为(　　)
A．ΔH＜0、ΔS＞0 B．ΔH＜0、ΔS＜0
C．ΔH＞0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＜0
答案　C
2．下列关于焓判据和熵判据的说法中，不正确的是(　　)
A．放热的自发过程可能是熵减小的过程，吸热的自发过程一定为熵增加的过程
B．4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)
ΔH＝－444.3 kJ·mol－1　ΔS＝－280.1 J·mol－1·K－1在常温、常压下能自发进行
C．在室温下碳酸钙的分解反应不能自发进行，但同样是这个吸热反应在较高温度(1 200 K)下则能自发进行
D．放热过程(ΔH＜0)或熵增加(ΔS＞0)的过程一定是自发的
答案　D
解析　放热的自发过程可能熵减小，吸热的自发过程是熵增加的过程，A项正确；根据ΔH－TΔS＝－444.3 kJ·mol－1－298 K×(－280.1×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈－360.83 kJ·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，B项正确；碳酸钙分解反应的ΔH＞0且ΔS＞0，同样根据ΔH－TΔS＜0可知在高温下可自发进行，C项正确；焓减小或熵增加的过程不一定都是自发进行的，有的反应需在外力作用下才能进行，D项错误。
(1)复合判据，对于一个化学反应能否自发进行，用以下式子判断：
ΔH－TΔS
(2)规律总结
ΔH ΔS 反应的自发性
＜0 ＞0 ΔH－TΔS＜0，一定能自发进行
＞0 ＜0 ΔH－TΔS＞0，一定不能自发进行
＜0 ＜0 在较低温度下能自发进行
＞0 ＞0 在较高温度下能自发进行
题组一　自发反应
1．下列关于自发过程的叙述中，正确的是(　　)
A．只有不需要任何条件就能够自动进行的过程才是自发过程
B．需要加热才能进行的过程肯定不是自发过程
C．同一可逆反应的正、逆反应在不同条件下都有自发进行的可能
D．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程
答案　C
解析　在一定条件下，不用借助外力即可自发进行的过程为自发过程，所以自发过程也是需要特定的条件，A、B项错误；可逆反应在不同的条件下，可以向不同方向自发进行，C项正确；改变条件，可以使非自发过程转变为自发过程，D项错误。
2．(2020·兰州期中)下列说法正确的是(　　)
A．凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的
B．自发反应的现象一定非常明显，非自发反应的熵一定减小
C．常温下，反应C(s)＋CO2(g)??2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0
D．反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH＞0
答案　C
解析　不能仅仅根据焓变判断反应的自发性，放热反应不一定都是自发进行的，吸热反应也可能是自发进行的，A项错误；自发进行的反应，其现象不一定非常明显，非自发反应的熵不一定减小，B项错误；根据反应C(s)＋CO2(g)??2CO(g)不能自发进行可知，该反应的ΔH－TΔS＞0，又知该反应ΔS＞0，则该反应的ΔH＞0，C项正确；反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则ΔH－TΔS＜0，因ΔS＜0，则ΔH＜0，D项错误。
题组二　反应焓变与反应方向
3．下列关于焓变与反应方向的叙述正确的是(　　)
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正向自发进行
D．焓变为负值的反应都能正向自发进行
答案　C
解析　大多数ΔH＜0的化学反应是正向自发进行的，也有少数ΔH＞0的化学反应可以正向自发进行，正反应吸热，不利于反应的正向进行。
4．以下反应均为正向自发反应，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　C项反应的ΔH＞0，由焓判据可知该反应不能自发进行，而题给条件是能自发进行，所以C项中的反应不能用焓判据解释。
题组三　反应熵变与反应方向
5．(2020·长沙雅礼中学月考)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 ℃、1.01×105 Pa时，2N2O5(s)===4NO2(g)＋O2(g)是熵增反应
答案　C
解析　C项，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，故错误。
6．(2020·武汉高二月考)“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)
答案　B
解析　选项B中的反应是由气体转化为液体，混乱度减小，ΔS＜0。
7．下列有关化学反应方向及其判据的说法错误的是(　　)
A．1 mol H2O在不同状态时的熵值：
S[H2O(s)]＜S[H2O(g)]
B．自发反应的熵一定增大，非自发反应的熵一定减小
C．反应：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)能否正向自发进行，主要由ΔS决定
D．反应NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH＝185.57 kJ·mol－1，能正向自发进行是因为体系有自发地向混乱度增大的方向转变的倾向
答案　B
解析　混乱度越大，熵值越大，则1 mol H2O在不同状态时的熵值：S[H2O(s)]＜S[H2O(g)]，故A正确；焓变和熵变共同决定反应是否能自发进行，故B错误；碳酸钙分解属于吸热反应，ΔH＞0，CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)，固体分解得到气体，混乱度增大，ΔS＞0，在高温条件下ΔH－TΔS＜0，反应正向自发进行，可以说ΔS越大，自发反应所需温度越低，故C正确。
题组四　焓变和熵变与反应进行方向的判断
8．对于化学反应方向的判断，下列说法中正确的是(　　)
A．温度、压强一定时，放热的熵减小的反应一定能自发进行
B．温度、压强一定时，焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向
C．反应焓变是决定反应能否自发进行的唯一因素
D．固体的溶解过程与熵变无关
答案　B
解析　化学反应的方向由焓变和熵变共同决定，不能仅用焓变或熵变判断反应的方向。
9．(2020·日照调研)已知：(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝74.9 kJ·mol－1，下列说法正确的是(　　)
A．该反应中熵变、焓变皆大于0
B．该反应是吸热反应，因此一定不能自发进行
C．碳酸盐分解反应中熵增加，因此在任何条件下所有碳酸盐分解一定能自发进行
D．能自发进行的反应一定是放热反应，不能自发进行的反应一定是吸热反应
答案　A
解析　根据化学方程式可知该反应中熵变、焓变都大于0，A项正确；该反应是吸热反应，但也是熵增加的反应，所以有可能自发进行，B项错误；碳酸盐分解反应中熵增加，但不是在任何条件下碳酸盐分解都能够自发进行，如CaCO3的分解仅在高温下能自发进行，C项错误；能自发进行的反应不一定是放热反应，不能自发进行的反应也不一定是吸热反应，D项错误。
10．现有反应：2SO3(g)??2SO2(g)＋O2(g)　ΔH＞0，下列有关说法正确的是(　　)
A．ΔH＞0的化学反应一定不能自发进行
B．该反应的熵增大(即ΔS＞0)
C．该反应在任何条件下一定能自发进行
D．自发过程一定使体系的熵增大
答案　B
解析　ΔH＞0的化学反应也有能自发进行的，A项错误；该反应只有在高温条件下才能自发进行，C项错误；自发过程也有使体系的熵减小的，D项错误。
11.实现“节能减排”和“低碳经济”的一个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正确的是(　　)
A．ΔH＞0，ΔS＞0 B．ΔH＞0，ΔS＜0
C．ΔH＜0，ΔS＜0 D．ΔH＜0，ΔS＞0
答案　C
解析　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。
题组五　焓变、熵变综合判断反应进行的方向
12．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|＝17 kJ·mol－1，|ΔH－TΔS|＝17 kJ·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
答案　A
解析　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能够自发的向右进行，因此该反应的反应热ΔH＞0，故选A。
13．下列判断正确的是(　　)
A．一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔH<0
B．反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应
C．反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)的ΔH<0，ΔS>0
D．2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的ΔH>0
答案　A
解析　A、B、D中反应均为熵减反应，且在一定温度下均能自发进行，故根据ΔH－TΔS<0可知，这三个反应均属于放热反应，故A项正确，B、D项错误；C中反应为熵减反应，ΔS<0，C项错误。
14．(2020·重庆高二期中)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 ΔS>0
C 一个反应的ΔH>0，ΔS>0 反应一定不能自发进行
D H2(g)＋F2(g)===2HF(g)的ΔH＝－546.6 kJ·mol－1 ΔS＝8 J·mol－1·K－1 反应在任意温度下都不能自发进行
答案　B
解析　物质由气态变为液态，混乱度减小，即ΔS＜0，A项不符合题意；硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程，ΔS＞0，反应可自发进行，B项符合题意；ΔH＞0，ΔS＞0，根据复合判据可知，高温时ΔH－TΔS＜0，即高温条件下，反应能自发进行，C项不符合题意；由ΔH＜0，ΔS＞0知，ΔH－TΔS＜0，故该反应在任意温度下都能自发进行，D项不符合题意。
15．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。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知：在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2 180.9 J·mol－1，ΔS＝－6.61 J·
mol－1·K－1)(　　)
A．会变成灰锡 B．不会变成灰锡
C．不能确定 D．升高温度才会变成灰锡
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，直至达到平衡状态。因此，在0 ℃、100 kPa条件下，白锡会不会变为灰锡的问题就转化为求算反应：白锡→灰锡的ΔH－TΔS值的问题。ΔH－TΔS＝－2 180.9 J·mol－1－273 K×(－6.61 J·mol－1·K－1)＝
－376.37 J·mol－1<0，因此在该条件下白锡会变为灰锡。
16．(1)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＋2CO??2CO2＋N2。反应在常温下能够自发进行，则反应的ΔH________(填“>”“<”或“＝”)0。
(2)已知在100 kPa、298 K时石灰石分解反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)的ΔH>0、ΔS>0，则：
①常温下该反应________(填“能”或“不能”)自发进行。
②据本题反应数据分析，温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素。
(3)已知CaSO4(s)＋CO(g)??CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)
ΔH＝218 kJ·mol－1，该反应能够自发进行的反应条件是________。
(4)某吸热反应能自发进行，则该反应的ΔS________(填“>”或“<”)0。
答案　(1)<　(2)①不能　②能　(3)高温　(4)>
解析　(1)因为ΔS<0，且ΔH－TΔS<0，故ΔH<0。
(2)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。
(3)自发反应的条件是ΔH－TΔS<0，即ΔH0，故该反应应在高温下进行。
(4)吸热反应能自发进行，即ΔH>0，ΔH－TΔS<0，又知T>0，故ΔS>0。
17．回答下列问题：
(1)汽车燃油不完全燃烧时会产生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．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＝131.3 kJ·
mol－1，ΔS＝133.7 J·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，则ΔH－TΔS>0，故不能实现该反应。
(2)a、b、c反应的ΔH>0，b、c反应的ΔS>0，高温时，ΔH－TΔS<0，反应能自发进行。a反应的ΔS<0，ΔH－TΔS>0，所以在高温时该反应不能自发进行。
(3)根据ΔH－TΔS＜0为自发反应知，ΔH＝131.3 kJ·mol－1，ΔS＝133.7 J·mol－1·K－1＝0.133 7 kJ·
mol－1·K－1，解得在T＞≈982.0 K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。

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