化学反应的方向和限度课件

第二单元化学反应的方向和限度第1课时化学反应的方向和化学平衡状态高炉炼铁的主要反应Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2是一个可逆反应。在19世纪后期，人们发现炼铁高炉所排出的高炉气中含有相当量的CO，有的工程师认为，这是由于CO和铁矿石的接触时间不够长所造成的，于是在英国耗费了大量资金建造了一个高大的炼铁高炉，以增加CO和铁矿石的接触时间。可是后来发现，用这个高炉炼铁，所排出的高炉气中CO的含量并没有减少。你知道这是什么原因吗？一、自发反应在一定条件下无需

就能

的反应，我们称之为自发反应。许多化学反应的正反应能自发进行，而其逆反应无法自发进行。外界帮助自动进行二、判断化学反应方向的依据1．能量判据反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一。自然界中的自发过程，都有由

状态向

状态转化的倾向；绝大多数放热反应都能

，且反应放出的热量

，体系能量

，反应

。能量较高能量较低自发进行越多降低得也越多越完全2．熵判据(1)熵：衡量一个体系

的物理量，符号为S。体系中微粒之间

的程度越大，体系的熵越大。(2)熵变：反应前后体系

的变化，符号为

。①若发生变化后体系的混乱度增大，该过程的ΔS>0；反之，ΔS<0。②同种物质，三态熵值大小顺序为

。(3)熵变与化学反应自发性的关系化学反应的ΔS

，越有利于反应自发进行。混乱度无规则排列熵ΔSS(g)>S(l)>S(s)越大3．复合判据体系能量

和混乱度

都有促使反应自发进行的倾向。判断反应的自发性必须综合考虑反应的焓变和熵变。在恒温、恒压时，(1)，则反应一定能自发进行；(2)

，则反应一定不能自发进行；(3)

，反应可能自发进行，也可能不自发进行，与反应的

有关。降低增大ΔH<0，ΔS>0ΔH>0，ΔS<0ΔH<0，ΔS<0或ΔH>0，ΔS>0温度三、化学平衡状态1．化学平衡状态的建立如果把某一可逆反应的反应物装入密闭容器，其反应过程如下：(1)反应开始时：

最大，

为零。(2)反应进行时：反应物浓度

―→v(正)逐渐

。生成物浓度由零逐渐

―→v(逆)从零开始逐渐

。(3)反应达到平衡时：v(正)

v(逆)，反应混合物中各组分的浓度

。v(正)v(逆)减小变小增大增大＝不再发生变化以上过程可用如图表示：2．含义在一定条件下的可逆反应里，

相等，反应体系中所有参加反应的物质的

或

保持

的状态。正反应和逆反应速率质量浓度恒定3．特征1．“自发反应一定能自动进行，而非自发反应一定不能发生”这句话对吗？说明理由。提示：不对。某些自发反应需在一定条件下才能自动进行，非自发反应具备了一定条件也能发生。如甲烷燃烧反应是自发反应，但需要点燃或加热才能反应；石灰石分解为氧化钙和二氧化碳为非自发反应，在高温下可以发生。2．可逆反应与不可逆反应的区别？提示：科学研究表明，不少化学反应都具有可逆性，即正向反应(反应物―→生成物)和逆向反应(生成物―→反应物)都能同时进行。有些反应的可逆性很小，如Ag＋＋Cl－===AgCl↓，我们只是视作“不可逆”而已(AgCl在溶液中仍有极微量的电离：AgCl===Ag＋＋Cl－)。(1)可逆反应：在相同条件下，要用“

”代替“===”作为连接反应物和生成物的符号，二氧化硫与水的反应是可逆反应，两者反应的化学方程式为SO2＋H2O

H2SO3。(2)可逆反应的特点：①向两个相反的方向进行的两个化学反应，在相同的条件下同时进行、共存。两个化学反应构成了一个对立的统一体。②符号“

”两边的物质互为反应物、生成物。③在反应体系中，与化学反应有关的各种物质共存，如亚硫酸溶液中还有H2O、SO2和H2SO3等分子。说明：若正、逆反应是在不同条件下发生的，则不属于可逆反应。1．能量判据(1)能量判据是指自发过程的体系趋向于从高能状态转变为低能状态(这时体系会对外做功或释放热量)，这一经验规律就是能量判据，是判断化学反应进行方向的判据之一。(2)反应热与自发反应的关系①多数放热反应能自发进行。如：NaOH(aq)＋HCl(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)2Na(s)＋2H2O(l)===2NaOH(aq)＋H2(g)②有不少吸热反应也能自发进行。如：2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)③有一些吸热反应在室温条件下不能自发进行，但在较高温度下则能自发进行。例如：在室温下和较高温度下均为吸热过程的CaCO3的分解反应。④结论：多数自发进行的化学反应是放热反应，但也有不少吸热反应能自发进行。因此，反应焓变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。2．熵判据(1)有关概念混乱度：表示体系的不规则或无序状态。混乱度的增加意味着体系变得更加无序。熵：衡量一个体系混乱度的物理量。用符号S来表示。混乱度越大，熵值越大，混乱度越小，熵值越小。(2)熵变：反应前后体系熵的变化叫做反应的熵变，用符号ΔS来表示。ΔS<0时，生成物的总熵小于反应物的总熵，反应是一个熵减的过程，体系的混乱度减小；ΔS>0时，生成物的总熵大于反应物的总熵，反应是一个熵增的过程，体系的混乱度增大。(3)熵变对化学反应方向的影响体系有自发地向混乱度增加(熵增)的方向转变的倾向。即ΔS>0，有利于反应的自发进行。ΔS<0，不利于反应的自发进行。3．复合判据焓变和熵变对反应方向的共同影响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。因此，必须综合焓判据和熵判据来判定某一反应的过程。(1)复合判据(自由能判据)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。(2)复合判据与反应能否自发进行的关系ΔG＝ΔH－TΔS<0反应能自发进行ΔG＝ΔH－TΔS＝0反应达到化学平衡状态ΔG＝ΔH－TΔS>0反应不能自发进行(2)应用：【例1】下列说法错误的是()A．NH4NO3溶于水吸热，说明其溶于水不是自发过程B．同一种物质气态时熵值最大，液态时次之，而固态时熵值最小C．能自发进行的过程，其体系的能量趋向于从高能状态转变为低能状态D．由焓变和熵变组合而成的判据，更适合于所有的过程【解析】NH4NO3溶于水吸热但是一个熵增大的过程，熵变起主导作用即可自发，A错；对同种物质来说S(g)>S(l)>S(s)，B正确；自发进行的过程一般是由高能状态转变为低能状态，而体系的混乱程度往往是增大的，C正确。【答案】

A点评：解答此类题目的常见错误是从一个方面孤立地判断反应方向，焓判据和熵判据作为判断是否为自发过程的依据，单独使用有局限性，要综合应用进行分析。变式训练1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)===CO2(g)＋NH3(g)＋H2O(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大的方向转变的倾向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．熵增大的反应都能自发进行解析：本题考查了化学反应方向的判据，正确解答本题，首先要明确焓变和熵变对化学反应方向的影响，然后综合考虑ΔH、ΔS和温度对反应自发性的影响。A项错误，有些能使熵增大的吸热反应可以自发进行；C项错误的原因是要将二者综合起来即利用ΔH－TΔS进行判断；D项熵增大的反应不一定都能自发进行。答案：B知识点2化学平衡状态的标志可逆反应达到化学平衡状态时有两个主要的特征：一是正反应速率和逆反应速率相等；二是反应混合物中各组分的百分含量保持不变。这两个特征是判断可逆反应是否达到化学平衡状态的核心性依据。具体情况见下表。例mA(g)＋nB(g)

pC(g)＋qD(g)混合物体系中各成分的含量①各物质的物质的量、质量或物质的量分数、质量分数一定平衡②各气体的体积或体积分数一定平衡③总体积、总压强、总物质的量一定不一定平衡例mA(g)＋nB(g)

pC(g)＋qD(g)正、逆反应速率的关系①在单位时间内消耗了mmolA，同时也生成了mmolA，即v(正)＝v(逆)平衡②在单位时间内消耗了nmolB的同时也消耗了pmolC，即v(正)＝v(逆)平衡③v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q，v(正)不一定等于v(逆)(平衡与否该式都成立)

不一定平衡④在单位时间内生成了nmolB的同时消耗了qmolD，v(正)不一定等于v(逆)不一定平衡【例2】可逆反应2NO2(g)

2NO(g)＋O2(g)在体积固定的密闭容器中，达到平衡状态的标志是()①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2︰2︰1的状态④混合气体的颜色不再改变的状态⑤混合气体的密度不再改变的状态⑥混合气体的压强不再改变的状态⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态︰A．①④⑥⑦B．②③⑤⑦C．①③④⑤D．全部【解析】对以上可逆反应，达到平衡状态的特征可以表述为：v(NO2)正＝v(NO)逆；v(NO2)正＝2v(O2)逆等。对于②来说无论反应达到什么程度，每生成nmolO2的同时总会生成2nmolNO，所以①是正确的，②是错误的；③所表达的是化学反应速率与化学方程式中物质的计量数的关系，无论反应是否达到平衡，它们的比值是不会改变的，而容器内各种物质无论进行怎样的反应，物质的总质量是不会变的，则密度不变，⑤错。只要未达到平衡，红棕色的NO2的浓度就会发生改变，则混合气体的颜色就会发生改变；同理，因为正反应是气体体积增大的反应，只要没有达到平衡，气体的压强就会增大，达到平衡后气体的压强就不再改变了，④⑥是正确的。【答案】

A变式训练2下列说法中，可以证明反应N2＋3H2

2NH3已达到平衡状态的是()A．1个N≡N键断裂的同时，有3个N—H键形成B．1个N≡N键断裂的同时，有3个H—H键断裂C．1个N≡N键断裂的同时，有6个N—H键断裂D．1个N≡N键断裂的同时，有6个N—H键形成解析：A、D中N≡N键断裂和N—H键形成描述的都是正反应速率，B中N≡N键断裂和H—H键断裂描述的都是正反应速率，C中N≡N键断裂描述的是正反应速率，N—H键断裂描述的是逆反应速率，且1个N≡N键断裂时消耗了1个N2,6个N—H键断裂反应了2个NH3，即又生成了1个N2。答案：C1．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．铁在潮湿空气中生锈D．室温下水结成冰解析：水由高处向低处流、天然气的燃烧、铁在潮湿空气中生锈都是体系从高能状态转变为低能状态，所以为自发过程；而室温下水结成冰需要释放热量，所以为非自发过程。答案：D2．250℃、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()A．是吸热反应B．是放热反应C．是熵减小的反应D．熵增效应大于能量效应解析：反应2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.76kJ·mol－1，ΔH>0，不利于反应的自发进行，ΔS>0，有利于反应的自发进行，所以该反应能自发进行是因为熵增效应大于能量效应。答案：D3．在一定量的密闭容器中进行反应：N2(g)＋3H2(g)

2NH3(g)。已知反应过程中某一时刻N2、H2、NH3的浓度分别为0.1mol·L－1,0.3mol·L－1,0.2mol·L－1。当反应达到平衡时，可能存在的数据是()A．N2为0.2mol·L－1，H2为0.6mol·L－1B．N2为0.15mol·L－1C．N2、H2均为