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第三节　化学反应的方向
素养·目标定位
目 标 素 养
1.知道化学反应是有方向的
2.知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关
知 识 概 览
课前·基础认知
1.自发过程与自发反应。
(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)自发反应:有些化学反应也是自发进行的,而且具有方向性。
微判断1(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)自发过程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。(　　)
√
×
√
×
2.焓变与反应的方向。
(1)放热反应过程中体系能量降低,因此具有自发进行的倾向,科学家提出用焓变(能量变化)来判断反应进行的方向,这就是焓判据(能量判据)。
(2)焓变与化学反应进行方向的关系。
①多数放热反应是自发进行的。例如燃烧反应、中和反应等。
②有些吸热反应也可以自发进行,如:
2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)　ΔH=+109.8 kJ·mol-1。
结论:只用焓判据判断反应是否自发进行是不全面的。
3.熵变与反应的方向。
(1)熵、熵变的概念。
(2)熵值大小。
①体系的熵值:体系的混乱程度越大,体系的熵值就越大。
②同一物质的熵值:S(g)>S(l)>S(s),同一条件下,不同物质的熵值不同。
(3)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。
(4)熵变与化学反应进行方向的关系。
①许多熵增的反应是自发的(多是气体分子数目增多的反应),如
2KClO3(s) ===2KCl(s)+3O2(g)。
②有些熵减的反应也可以自发进行,如:
2NO(g)+2CO(g) ===N2(g)+2CO2(g);
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l) ===4Fe(OH)3(s)
结论:只用熵判据判断反应是否自发进行是不全面的。
2H2O2(aq)===2H2O(l)+O2(g);
4.大量事实证明,综合考虑焓变和熵变可以判断反应自发进行的方向。
微判断2(1)反应自发进行的方向与ΔH、ΔS有关。(　　)
(2)NH4Cl(s) ===NH3(g)+HCl(g)的ΔS>0。(　　)
(3)同一种物质,气态时熵值最大,固态时熵值最小。(　　)
(4)ΔS>0的反应都是自发进行的反应。(　　)
√
√
√
×
微训练1.判断下列各变化过程中熵的变化。
(1)NH4NO3爆炸:2NH4NO3(s) ===2N2(g)+4H2O(g)+O2(g)。
(　　)
(2)水煤气转化:CO(g)+H2O(g) ===CO2(g)+H2(g)。(　　)
(3)臭氧的生成:3O2(g) ===2O3(g)。(　　)
a.熵增　　　　 b.熵减
c.不变 d.熵变很小
a　
d　
b
解析:(1)NH4NO3的爆炸反应中气体的物质的量增大,该过程是熵增的过程。 (2)水煤气转化过程中气体的物质的量不变,该过程的熵变很小。 (3)生成臭氧后,气体的物质的量减小,该过程是熵减的过程。
2.下列说法不正确的是(　　)。
A.Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行
B.某吸热反应能自发进行,则该反应是熵增反应
C.碳酸铵[(NH4)2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨是因为外界给予了能量
D.CO(g)+2H2(g) ===CH3OH(l)是一个熵减反应
C
解析:Na与水反应生成H2,ΔS>0,此反应为放热反应,则ΔH<0,故ΔH-TΔS<0,该反应能自发进行,A项正确。吸热反应ΔH>0,能自发进行必须满足ΔH-TΔS<0,所以ΔS>0,B项正确。碳酸铵在室温下能自发分解产生氨,是因为该反应的ΔS>0,C项错误。反应CO(g)+2H2(g) ===CH3OH(l)为气体分子数减小的反应,该反应是一个熵减反应,D项正确。
课堂·重难突破
化学反应方向的判断
问题探究
汽车尾气中的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳,它们是现代化城市中的重要大气污染物。
为了减轻大气污染,人们提出通过以下反应来处理汽车尾气:
2NO(g)+2CO(g) ===N2(g)+2CO2(g)
1.阅读材料分析如何判断上述反应能否自发进行 你需要知道哪些物理量
提示:可以利用反应的焓变和熵变来判断反应能否自发进行。
2.查阅资料可知上述反应的ΔH=-746.8 kJ·mol-1、ΔS=-197.5 J·mol-1·K-1。试着分析该反应室温(298 K)下能否自发进行
提示:该反应室温时ΔG=ΔH-TΔS≈-687.9 kJ·mol-1<0,能自发进行。
归纳总结
1.化学反应方向与焓变的关系。
(1)化学反应的方向与反应的焓变有关,但不能只根据焓变判断反应的方向;
(2)大多数放热反应能自发进行;
(3)能自发进行的吸热反应,体系的混乱程度一定增大(即熵增)。
2.化学反应方向与熵变的关系。
(1)化学反应的方向与反应的熵变有关,但不能只根据熵变判断反应的方向;
(2)熵增且放热的化学反应能自发进行;
(3)能自发进行的熵减的化学反应,一定是放热反应。
3.自由能判据。
在等温、等压条件下的封闭体系中,可用ΔG的值来判断反应能否自发进行。
ΔG=ΔH-TΔS<0,反应能自发进行;
ΔG=ΔH-TΔS=0,反应处于平衡状态;
ΔG=ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行。
温度与反应方向的关系:
典型例题
【例1】 已知“凡气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应”。一定条件下,下列反应不能自发进行的是(　　)。
A.2O3(g) ===3O2(g)　ΔH<0
B.2CO(g) ===2C(s)+O2(g)　ΔH>0
C.N2(g)+3H2(g) ===2NH3(g)　ΔH<0
D.CaCO3(s) ===CaO(s)+CO2(g)
ΔH>0
B
解析:A项,ΔH<0,ΔS>0的反应一定能自发进行。B项,ΔH>0, ΔS<0的反应一定不能自发进行。C项,反应是ΔH<0,ΔS<0的反应,一定条件下可以自发进行。D项,反应是ΔH>0,ΔS>0的反应,一定条件下可以自发进行。
【例2】 下列说法错误的是(　　)。
A.反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)在高温时才能自发进行,说明该反应熵变ΔS>0
B.常温下,若反应A(s)+B(g) C(g)+D(g)不能自发进行,则该反应的ΔH>0
C.反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0
D.CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)　ΔH>0,高温下能自发进行
C
解析:化学反应自发进行说明ΔG=ΔH-TΔS<0,高温时该反应能自发进行,说明高温时ΔG<0,则ΔS>0,A项正确。反应不能自发进行,说明ΔH-TΔS>0,该反应是一个气体体积增大的反应,所以ΔS>0,要使ΔH-TΔS>0,则ΔH一定大于0,B项正确。反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)的ΔS<0,常温下该反应能自发进行,则ΔG=ΔH-TΔS<0,该反应ΔH<0,C项错误。该反应ΔH>0,ΔS>0,ΔH-TΔS<0时反应才可以自发进行,故需高温条件,该反应才可自发进行,D项正确。
【例3】某化学反应的ΔH=-122 kJ·mol-1,ΔS=-431 J·mol-1·K-1,则以下关于此反应的自发性描述中正确的是(　　)。
A.在任何温度下都能自发进行
B.仅在低温下能自发进行
C.仅在高温下能自发进行
D.在任何温度下都不能自发进行
解析:ΔH<0,ΔS<0时低温有利于自发进行。
B
(1)一般来说,如果一个过程是自发的,则其逆过程往往是非自发的。 (2)自发反应和非自发反应是可能相互转化的,某一条件下的自发反应可能在另一条件下就是非自发反应。如2NO(g)+O2(g)═2NO2(g)是常温下的自发反应,而在高温条件下其逆反应是自发反应。 (3)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。如涂有防锈漆和未涂防锈漆的铜制品,它们发生腐蚀过程的自发性是相同的,但只有后者可以实现。
成果验收站　
1.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
C
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=+44.0 kJ·mol-1
C.(NH4)2CO3(s) ===NH4HCO3(s)+NH3(g)　ΔH=+74.9 kJ·mol-1
D.2H2(g)+O2(g) ===2H2O(l)　ΔH=-571.6 kJ·mol-1
解析: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。
D
3.下列变化中没有发生熵增的是(　　)。
A.冰融化
B.液态水变为水蒸气
C.蔗糖在水中溶解
D.HCl(g)+NH3(g)═NH4Cl(s)
D
解析:化学上经常用熵来度量混乱度,同一物质,气态时熵最大,固态时熵最小。冰融化时固态变为液态,熵增大,A项错误。液态水变为水蒸气是由液态变为气态,熵增大,B项错误。蔗糖分子溶于水能自由移动,混乱度增加,熵增大,C项错误。反应HCl(g)+NH3(g)═NH4Cl(s)中气态物质减少,熵减小,D项正确。
4.化学反应进行的方向是一个比较复杂的问题。下列有关说法正确的是(　　)。
A.反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)的ΔS>0
B.ΔH<0或ΔS>0的反应一定能自发进行
C.1 mol H2O在不同状态时的熵值:S[H2O(g)]D.ΔS>0、ΔH>0的反应能否自发进行与温度有关
D
解析:该反应为混乱度减小的反应,ΔS<0,A项错误。ΔH-TΔS<0的反应可以自发进行,不能单纯用ΔH<0或ΔS>0判断反应能否自发进行,B项错误。物质由固态变为气态,混乱度增大,熵增大,故S[H2O(g)]>S[H2O(s)],C项错误。ΔS>0、ΔH>0的反应,反应自发进行时ΔH-TΔS<0,即该反应在高温下能自发进行,低温时不能自发进行,所以该反应能否自发进行与温度有关,D项正确。
5.已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为:
C(石墨,s)+O2(g) ===CO2(g)　ΔH(298 K)=-393.5 kJ·mol-1
C(金刚石,s)+O2(g) ===CO2(g)　ΔH(298 K)=-395.4 kJ·mol-1
已知相同条件下石墨的熵值大于金刚石。从理论上判断下列关于金刚石和石墨的相互转化的说法正确的是(　　)。
A.石墨转化成金刚石是自发进行的过程
B.石墨转化成金刚石的反应必须借助外动力
C.石墨转化为金刚石仅在高温下自发
D.金刚石转化为石墨仅在高温下自发
B
解析:①C(石墨,s)+O2(g) ===CO2(g)　ΔH(298 K)=-393.5 kJ·mol-1;②C(金刚石,s)+O2(g) ===CO2(g)　ΔH(298 K)=
-395.4 kJ·mol-1,根据盖斯定律,由①-②可得C(石墨,s) ===C(金刚石,s)　ΔH>0。已知相同条件下石墨的熵值大于金刚石,故上述转化反应是个熵减的反应,根据复合判据ΔG=ΔH-TΔS可知,石墨转化成金刚石不是自发进行的过程,A、C项错误。由A项分析知石墨转化成金刚石的反应必须借助外动力,B项正确;金刚石转化为石墨为熵增焓减的反应,在任意温度下自发进行,D项错误。
6.在化学反应A(g)+B(g) 2C(g)+D(g)　ΔH=Q kJ·mol-1过程中的能量变化如图所示。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　　　　(填“正反应”或“逆反应”)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)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。
<
>
能
减小
逆反应

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