2024年高中化学新教材同步 选择性必修第一册 第2章　第3节　化学反应的方向

第三节化学反应的方向[核心素养发展目标]1.知道化学反应是有方向的，通过宏观事实推理、建构化学反应的方向与反应的焓变和熵变的关系的认知模型。2.能结合具体事例说明反应自发进行的方向性。一、自发过程与自发反应1．自发过程(1)含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自发进行的过程。例如高山流水、自由落体。(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(无序体系更加稳定)。(3)非自发过程：在一定条件下，需持续借助外力才能进行的过程。2．自发反应(1)含义：在给定的条件下，无需外界帮助，一经引发即能自动进行的反应，称为自发反应。例如钢铁生锈。(2)非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。3．应用(1)自发反应可被用来做“有用功”。例如H2的燃烧可设计成燃料电池。(2)非自发过程要想发生，必须对它做功。例如通电将水分解为H2和O2。(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)室温下冰变成水属于自发过程()(3)能自发进行的反应，反应速率一定很大()答案(1)√(2)√(3)×1．已知：①2H2＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2H2O；②2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2H2↑＋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)非自发反应在一定条件下能发生。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．下列关于自发反应的叙述正确的是()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C2．过程自发性的作用是()A．判断过程的方向B．确定过程是否一定会发生C．判断过程发生的速率D．判断过程的热效应答案A二、化学反应进行方向的判据1．焓变与化学反应的方向(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大多数放热反应是可以自发进行的。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＝＋109.8kJ·mol－1。(3)结论：反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一，但不是唯一因素。2．熵变与化学反应的方向(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物质的熵值：同一种物质的熵值S(g)＞S(l)＞S(s)，且物质的量越大，熵值越大，同一条件下，不同物质的熵值不同。③反应前后熵值变化：虽然不同物质熵值不同，但气体物质的熵值最大，一般情况下，可以根据反应前后气体物质的量的变化大体判断熵值增大或减小。(3)熵判据向。(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：Zn(s)＋H2SO4(aq)=ZnSO4(aq)＋H2(g)；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)。(5)结论：熵变是影响反应自发进行的因素之一，但不是唯一因素。3．自由能与化学反应的方向(1)自由能ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不仅与焓变和熵变有关，还与温度有关。ΔG单位：kJ·mol－1。T：开尔文温度，单位K。(2)反应方向与自由能的关系化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡。①当ΔG＜0时，反应能自发进行；②当ΔG＝0时，反应处于平衡状态；③当ΔG＞0时，反应不能自发进行。类型ΔHΔSΔH－TΔS反应的自发性1<0>0ΔG<0一定能自发2>0<0ΔG>0一定不能自发3<0<0ΔG的正负决定于温度低温能自发4>0>0高温能自发(1)放热反应一定能自发进行()(2)O2转化变为O3时，熵减小()(3)熵增的反应一定能自发进行()(4)合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH<0，高温有利于其自发进行()(5)由焓判据和熵判据组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程()答案(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√1．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ·mol－1，ΔS＝－198.2J·mol－1·K－1。(1)根据焓判据分析298K下该反应是否能自发进行？熵判据呢？提示根据焓判据可知该反应能自发进行，但是根据熵判据可知该反应不能自发进行。(2)我们如何判断反应的方向？提示焓判据和熵判据均有局限性，判断化学反应的方向时，需要同时考虑焓判据和熵判据。所以，判断一个反应是否能自发进行，应用复合判据ΔG＝ΔH－TΔS来分析。2．汽车尾气的处理装置中都使用了催化剂。其他条件不变，使用催化剂能改变化学反应的方向吗？提示使用催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率，但是不能改变反应进行的方向。常见的熵增过程和熵增反应(1)常见的熵增过程：固体的溶解，气体的扩散，水的汽化等。(2)常见的熵增反应：产生气体的反应，气体物质的量增大的反应。1．下列对熵的理解错误的是()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，错误。2．(1)汽车燃油不完全燃烧时产生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)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，化学方程式如下：2NO＋2CO=2CO2＋N2。反应能够自发进行，则反应的ΔH________(填“＞”“＜”或“＝”)0。理由是______________________________________________________________________________________________。答案(1)不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，反应不可能自发进行(2)＜该反应的ΔS＜0，若该反应能自发进行，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0，可知ΔH＜0题组一自发过程和自发反应1．下列关于自发过程的叙述正确的是()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，可以使某些非自发过程转变为自发过程，D项错误。2．下列反应属于非自发反应的是()A．铁与稀盐酸反应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C3．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[eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(NH4))2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气是因为外界给予了能量D．CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(l)是一个熵减反应答案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；碳酸铵在室温下自发分解产生氨气，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。题组二自由能(复合判据)与反应进行方向的判断4．下列叙述不正确的是()A．混乱度减小的吸热反应一定不能自发进行B．在温度、压强一定条件下，自发反应总是向ΔG＝ΔH－TΔS＜0的方向进行C．碳酸氢钠加热可以分解，因为升高温度利于熵增的方向自发进行D．水结冰的过程不能自发进行的原因是熵减的过程，改变条件也不可能自发进行答案D解析混乱度减小的吸热反应是ΔS＜0、ΔH>0的反应，该反应的ΔH－TΔS>0，一定不能自发进行，故A正确；自发反应有向ΔG＜0的方向进行的趋势，即温度、压强一定时，ΔG＝ΔH－TΔS＜0的反应可自发进行，故B正确；碳酸氢钠加热可以分解，即升高温度反应能自发进行，由于该反应生成的气体增多，ΔS>0，所以升高温度利于熵增的方向自发进行，故C正确；水结冰的过程是熵减的放热过程，通常情况下不能自发进行，但降温时该过程能自发进行，故D错误。5．下列内容与原因或结论不对应的是()选项内容原因或结论AH2O(g)变成H2O(l)该过程ΔS>0B硝酸铵溶于水可自发进行因为ΔS>0C一个反应的ΔH>0、ΔS<0该反应不能自发进行DH2(g)＋F2(g)2HF(g)的ΔH＝－271kJ·mol－1、ΔS＝＋8J·mol－1·K－1该反应在任何温度下均可自发进行答案A解析H2O(g)变成H2O(l)，体系混乱度减小，则ΔS<0，A错误；常温下硝酸铵溶于水是一个mol－1，ΔS＝＋8J·mol－1·K－1，由ΔH－TΔS<0的反应可自发进行可知，该反应在任何温度下都能自发进行，D正确。6.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＜0C．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。7．在图①中A、B两个容器里，分别收集着两种不同的理想气体。若将中间活塞打开，两种气体分子立即都占有了两个容器(如图②)。下列关于此过程的说法错误的是()A．此过程是体系从混乱程度小向混乱程度大变化的过程，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．此过程从有序到无序，混乱度增大D．此过程是自发可逆的答案D解析由题意可知，此过程为不伴随能量变化的自发过程，是体系混乱度增大的过程。自发过程是不可逆的。8．研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是()A．ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应的方向C．反应CaCO3(s)=CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0D．高温下，反应MgCl2(l)=Mg(l)＋Cl2(g)能自发进行，则其ΔH>0、ΔS>0答案D解析对于ΔH<0、ΔS>0的反应，任何温度下都有ΔH－TΔS<0，即在任何温度下反应均能自发进行，A项错误；催化剂只能改变反应速率，不改变反应的方向，B项错误；反应CaCO3(s)=CaO(s)＋CO2(g)的ΔS>0，由于在室温下不能自发进行，所以此时ΔG＝ΔH－TΔS>0，即该反应的ΔH>0，C项错误；反应MgCl2(l)=Mg(l)＋Cl2(g)的ΔS>0，高温下该反应能自发进行，则ΔH>0，D项正确。9．下列对化学反应预测正确的是()选项化学方程式已知条件预测AM(s)=X(g)＋Y(s)ΔH>0它是非自发反应B4M(s)＋N(g)＋2W(l)=4Q(s)常温下，自发进行ΔH>0C4X(g)＋5Y(g)=4W(g)＋6G(g)能自发进行ΔH可能大于0DW(s)＋G(g)=2Q(g)ΔH>0任何温度都自发进行答案C10．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℃、100kPa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℃、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0℃、100kPa条件下，白锡会不会变为灰锡的问题即为求算反应：白锡→灰锡的ΔH－TΔS值的问题。ΔH－TΔS＝－2180.9J·mol－1－273K×(－6.61J·mol－1·K－1)＝－376.37J·mol－1<0，因此在该条件下白锡会变为灰锡。11．反应：CH3OH(l)＋NH3(g)=CH3NH2(g)＋H2O(g)在某温度下才能自发向右进行，若反应的|ΔH|＝17kJ·mol－1，该温度下|ΔH－TΔS|＝17kJ·mol－1，则下列选项正确的是()A．ΔH＞0，ΔH－TΔS<0B．ΔH<0，ΔH－TΔS＞0C．ΔH＞0，ΔH－TΔS＞0D．ΔH<0，ΔH－TΔS<0答案A解析该反应在某温度下能够自发向右进行，这说明ΔH－TΔS一定小于0，根据化学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，而该反应在某温度下才能够自发向右进行，因此该反应的ΔH＞0。12.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，反应原理：2NO(g)＋2CO(g)=N2(g)＋2CO2(g)，在298K、100kPa下，ΔH＝－113kJ·mol－1、ΔS＝－145J·mol－1·K－1。下列说法中错误的是()A．该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量B．该反应常温下不能自发进行，因此需要高温和催化剂C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是加快反应的速率D．汽车尾气中的这两种气体会与血红蛋白结合而使人中毒答案B解析该反应是放热反应，反应物的总能量高于生成物的总能量，A项正确；常温下，ΔH－TΔS＝－113kJ·mol－1－298K×[－145J·mol－1·K－1]×10－3kJ·J－1＜0，故常温下该反应可自发进行，高温和催化剂只是加快反应速率，B项错误，C项正确；CO和NO均会与血红蛋白结合而使人中毒，D项正确。13．已知一个可逆反应，若正反应为自发过程，则其逆反应为非自发过程，反之，亦然。(1)已知2CO(g)CO2(g)＋C(s)，T＝980K时，ΔH－TΔS＝0。当体系温度低于980K时，估计ΔH－TΔS________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)0；当体系温度高于980K时，估计ΔH－TΔS________0。=－94.0kJ·mol－1、ΔS(298.15K)＝－75.8J·mol－1·K－1，设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行的温度范围是________。答案(1)小于大于(2)T＜1240K解析(1)C(s)＋CO2(g)2CO(g)的反应为吸热反应，ΔH＞0，则2CO(g)CO2(g)＋C(s)为放热反应，ΔH＜0，且该反应ΔS＜0，则当T＜980K时，ΔH－TΔS＜0，T＞980K时，ΔH－TΔS＞0。×10－3kJ·mol－1·K－1)＜0，则T＜eq\f(94.0kJ·mol－1,75.8×10－3kJ·mol－1·K－1)≈1240K。14．(2022·浙江杭州二中高二月考)地下水中的氮污染主要是由NOeq\o\al(－,3)引起的，人们对NOeq\o\al(－,3)的转化进行了长时间的研究，目前主要有物理方法、化学方法和生物方法，其中化学方法主要包含活泼金属还原法和催化反硝化法。催化反硝化法是一种经济可行的脱氮方法，其原理是在Pd/Cu双金属催化剂作用下，H2将硝酸盐还原成氮气：2NOeq\o\al(－,3)＋5H2eq\o(=,\s\up7(Pd/Cu))N2＋2OH－＋4H2O。(1)下列说法错误的是________(填字母)。A．氮肥NH4NO3溶于水的过程中熵值增大B．在酸性条件下，活泼金属与NOeq\o\al(－,3)反应属于自发反应C．Pd/Cu双金属催化剂是该反应是否能自发发生的决定因素(2)已知：2NOeq\o\al(－,3)(aq)＋5H2(g)eq\o(=,\s\up7(Pd/Cu))N2(g)＋2OH－(aq)＋4H2O(l)的ΔH＝＋akJ·mol－1，ΔS＝＋bJ·mol－1·K－1(a、b均为正值)，该反应____________(填“能”“不能”或“无法判断是否能”)自发进行。答案(1)C(2)无法判断是否能解析(1)NH4NO3溶于水时混乱度增大，其熵值增大，A项正确；活泼金属易失去电子，酸性条件下NOeq\o\al(－,3)具有强氧化性，二者反应属于自发反应，B项正确；决定反应是否为自发反应的因素是反应物自身的性质，C项错误。(2)ΔH－