化学反应的方向 讲义 上学期高二化学人教版（2019）选择性必修1

2.3化学反应的方向课标定向1.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。(证据推理与模型认知)2.根据三个判据的发展过程,理解科学知识的曲折发展历程,增强对化学反应自发性研究重要意义的认识。(科学态度与社会责任)【教材认知·内化必备知识】一、反应焓变与反应方向1.自发过程和自发反应自然界中有一些过程是自发进行的,而且是有方向性的。如水自发地从高处流向低处。有些化学反应也是自发进行的,而且有方向性。2.化学反应的方向与焓变的关系化学反应ΔH能否自发进行H2(g)+12O2(g)===H2Zn(s)+CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)+Cu(s)<0能Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3·H2O+8H2O;2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g);NaHCO3(s)+HCl(aq)===NaCl(aq)+CO2(g)+H2O(l)>0能大多数放热反应可以自发进行,但有些吸热反应也能自发进行,因此,不能只根据放热或吸热来判断化学反应的方向。二、反应熵变与反应方向(1)熵(符号为S):用来度量体系混乱的程度。对于同一种物质,不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。气体的物质的量越大,分子数越多,熵值越大。(2)自发反应与熵变的关系化学反应ΔS(ΔS=S生成物-S反应物)能否自发进行Zn(s)+H2SO4(aq)===ZnSO4(aq)+H2(g);2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g)>0能2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g);4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)<0能大多数熵增的反应可以自发进行,但有些熵减的反应也能自发进行,因此,不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向。三、用焓变和熵变综合判断反应方向——自由能(ΔG)1.利用ΔG=ΔH-TΔS判断化学反应的自发性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。2.应用局限:综合考虑焓变和熵变可以判断反应自发进行的方向,但不能确定反应是否一定发生及发生的速率。[思考]灰锡结构松散,不能用于制造器皿,而白锡结构坚固,可以用于制造器皿。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呢?(已知:在0℃、100kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH=-2180.9J·mol-1,ΔS=-6.61J·mol-1·K-1)提示:在等温、等压条件下,自发反应总是向着ΔG=ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。因此,在0℃、100kPa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ΔG=ΔH-TΔS值的问题。ΔG=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成灰锡。【质疑辨析】(1)O2转化变为O3时,熵减小。(√)提示:O2转化变为O3的反应为3O2===2O3,正反应方向气体体积减小,熵减小。(2)放热过程有自发进行的倾向性,但并不一定能自发进行,吸热过程没有自发进行的倾向性,但在一定条件下也可自发进行。(√)提示:放热过程有自发进行的倾向性,但并不一定能自发进行,吸热过程没有自发进行的倾向性,但在一定条件下也可自发进行。(3)CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0。(×)提示:该反应为吸热反应。(4)某化学反应的ΔH=-122kJ·mol-1,ΔS=-431J·mol-1·K-1,则此反应仅在低温下自发进行。(√)提示:若反应能自发进行,ΔG=ΔH-TΔS<0,需要在低温下进行。(5)-10℃的水结成冰,可用熵变的判据来解释反应的自发性。(×)提示:水结冰的过程为熵减的反应,不能用熵变的判据来解释反应的自发性。【合作探究·形成关键能力】探究任务:判断化学反应方向的依据【导学探究】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)阅读素材分析如何判断上述反应能否自发进行?提示:可以利用反应的焓变和熵变来综合判断反应能否自发进行。(2)查阅资料可知上述反应的ΔH=-746.8kJ·mol-1、ΔS=-197.5J·mol-1·K-1。试着分析该反应室温(298K)下能否自发进行。提示:该反应室温时,ΔG=ΔH-TΔS≈-687.9kJ·mol-1<0,能自发进行。(3)汽车的尾气处理装置中都使用了催化剂,分析催化剂的作用是什么?提示:加快反应速率。【归纳总结】化学反应的方向1.判据2.温度对化学反应方向的影响当焓变和熵变的作用相反且相差不大时,温度有可能对反应的方向起决定性的作用,温度与反应方向的关系如图所示:【针对训练】1.(2023·茂名高二检测)在工业生产中,对能够发生的化学反应,研究和选择合适的反应条件才有实际意义。恒温恒压下,下列过程一定不能自发进行的是()A.4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g)ΔH<0B.CaO(s)+CO2(g)===CaCO3(s)ΔH<0C.2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)ΔH>0D.2H2O(l)+O2(g)===2H2O2(aq)ΔH>0【解析】选D。根据ΔG=ΔH-TΔS,若ΔH<0且ΔS>0,则反应自发进行;若ΔH>0且ΔS<0,则反应不能自发进行;若ΔH>0且ΔS>0,则反应在高温下自发进行;若ΔH<0且ΔS<0,则反应在低温下自发进行。方法导引化学反应的方向判断解答此类题目的关键是利用综合判据进行计算或判断,优先找出ΔH>0、ΔS<0和ΔH<0、ΔS>0的项可以减少计算量。2.在25℃、1.01×105Pa下,反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)ΔH=+109.8kJ·mol-1能自发进行的合理解释是()A.该反应是分解反应B.该反应的熵增效应大于焓变效应C.该反应是熵减反应D.该反应是放热反应【解析】选B。该反应是吸热反应,不能只用焓判据来判断反应进行的方向,该反应过程中熵增大,是熵增反应。该反应能够自发进行,说明该反应的熵增效应大于焓变效应。3.其他条件不变时,只改变某一条件,化学反应aA(g)+B(g)cC(g)的平衡的变化图像如图(图中p表示压强,T表示温度,n表示物质的量,α表示转化率),据此分析下列说法正确的是()A.在图像反应Ⅰ中,若p1>p2,则此反应的ΔS>0B.在图像反应Ⅲ中,若T1>T2,则该反应能自发C.在图像反应Ⅱ中,说明正反应为吸热反应D.由图像反应Ⅱ可知该反应在任意温度下均可自发【解析】选B。在图像反应Ⅰ中,如果p1>p2,相同温度下,增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,A的转化率增大,说明平衡正向移动,则a+1>c,即此反应的ΔS<0,故A错误;在图像反应Ⅲ中,同一温度下,增大压强,A的转化率不变,说明反应前后气体计量数之和相等,则a+1=c,则反应前后熵不变,若T1>T2,升高温度,A的转化率降低,说明正反应是放热反应,所以ΔH<0,当ΔG=ΔH-TΔS<0时,反应能自发进行,故B正确;在图像反应Ⅱ中,在T1温度下先达到平衡,说明T1>T2,升高温度,C的物质的量减少,则平衡逆向移动,升高温度平衡向吸热反应方向移动,即该反应正向为放热反应,故C错误;在图像反应Ⅱ中,无法确定化学反应的熵变,因此无法判断反应自发进行的条件,故D错误。【链接高考·明晰高考方向】【真题示例】【典例】(2021·湖南选择考节选)在一定温度下,利用催化剂将NH3分解为N2和H2。已知反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)ΔH=+90.8kJ·mol-1,该反应的ΔS=198.9J·mol-1·K-1。在下列哪些温度下反应能自发进行?________(填标号)。

A.25℃ B.125℃C.225℃ D.325℃[解题思维]解答本题的思维流程如下:提取关键点该反应的ΔS=198.9J·mol-1·K-1转化知识点根据复合判据求算自发进行的温度范围排除障碍点ΔS的单位是J·mol-1·K-1,所以根据ΔG=ΔH-TΔS<0求算出的温度为热力学温度,需要与摄氏度转化【解析】若反应自发进行,则需ΔH-TΔS<0,T>ΔHΔS=90.8×103J·答案:CD【对点演练】1.(2021·浙江6月选考)相同温度和压强下,关于物质熵的大小比较,合理的是()A.1molCH4(g)<1molH2(g)B.1molH2O(g)<2molH2O(g)C.1molH2O(s)>1molH2O(l)D.1molC(s,金刚石)>1molC(s,石墨)【解析】选B。A.CH4(g)和H2(g)物质的量相同,且均为气态,CH4(g)含有的原子总数多,CH4(g)的摩尔质量大,所以熵值1molCH4(g)>1molH2(g),A错误;B.相同状态的相同物质,物质的量越大,熵值越大,所以熵值1molH2O(g)<2molH2O(g),B正确;C.等量的同物质,熵值关系为S(g)>S(l)>S(s),所以熵值1molH2O(s)<1molH2O(l),C错误;D.从金刚石和石墨的结构组成上来看,金刚石的微观结构更有序,熵值更低,所以熵值1molC(s,金刚石)<1molC(s,石墨),D错误。2.(2023·南京高二检测)反应2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH<0可实现CO2的资源化,下列说法正确的是()A.上述反应在任何温度下均可自发进行B.上述反应每消耗1molCO2同时形成7molσ键C.上述反应为熵增的反应D.催化剂可以降低上述反应的焓变,提高化学反应速率【解析】选B。A.反应ΔH<0,ΔS<0,低温下满足ΔH-TΔS<0,高温下不一定满足,A错误;B.1个CH3OCH3中含σ键8个,1个H2O中含σ键2个,上述反应每消耗1molCO2同时生成0.5molCH3OCH3(g)和1.5molH2O(g),形成σ键的物质的量=0.5mol×8+1.5mol×2=7mol,B正确;C.反应2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)为熵减的反应,C错误;D.催化剂可以降低上述反应的活化能,提高化学反应速率,不能改变焓变,D错误。【课堂检测·诊断学习效果】1.关于恒容密闭容器进行的反应C(s)+CO2(g)2CO(g)ΔH>0,下列说法正确的是()A.ΔS<0B.熵值越大,体系的混乱度越小C.该反应为熵增反应D.同一物质三态的熵值大小关系为S(g)<S(s)<S(l)【解析】选C。反应前后气体体积数增大,这是一个熵增的反应,ΔS>0,A错误、C正确;熵值越大,体系混乱度就越大,B错误;同一物质三态的熵值大小关系为S(g)>S(l)>S(s),D错误。2.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.2NO(g)+O2(g)2NO2(g)是熵减反应【解析】选C。对于同种物质,由固→液→气熵值逐渐增大,故A正确;熵反映体系混乱的程度,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;该反应前后气体分子数减小,熵值减小,故D正确。3.已知在100kPa、298.15K时,石灰石发生分解反应:CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)ΔH=+178.3kJ·mol-1ΔS=+160.4J·mol-1·K-1,则(1)该反应____________(填“能”或“不能”)自发进行。

(2)据本题反应数据分析,温