第2章 第1节 化学反应的方向 学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修1

第2章　化学反应的方向、限度与速率
第1节　化学反应的方向
[学习目标]　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模型。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。
[重点难点]　1.焓变和熵变对化学反应方向的影响。2.化学反应进行方向的判断。
　　　　　　　　反应焓变、熵变与反应方向
导学
1．反应焓变与反应方向
(1)自发反应：在一定条件(温度、压强)下，具有自动发生倾向的化学反应。
(2)自发反应与吸热反应、放热反应。
①多数能自发进行的化学反应是放热反应。
4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH＝－444.3 kJ·mol－1
②有些吸热反应也能自发进行。
NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)　ΔH＝＋37.30 kJ·mol－1
结论：不能仅用反应焓变来判断反应能否自发进行。
2．反应熵变与反应方向
(1)熵、熵变的概念
(2)影响熵值大小的因素
①体系的熵值：体系的无序程度越大，体系的熵值就越大。
②纯物质的熵值
纯物质熵值的大小与物质的种类、数量、聚集状态以及温度、压强等因素有关。例如对同一物质来说，S(g)＞S(l)＞S(s)。在同一条件下，不同物质的熵不同。
(3)熵变与反应方向
①熵增加有利于反应的自发进行。
C(s，石墨)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔS＝＋133.8 J·mol－1·K－1
②某些熵减小的反应在一定条件下也能自发进行。
2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)　ΔS＝－39.4 J·mol－1·K－1
结论：不能仅用反应熵变来判断反应能否自发进行。
导思
1．判断正误
(1)能够自发进行的反应不一定都是放热反应(　　)
(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)√
2．以下过程均为自发反应或自发过程：
①甲烷燃烧：CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－802.31 kJ·mol－1
②氢气与氧气反应：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1
③钠与水反应：2Na(s)＋2H2O(l)===2NaOH(aq)＋H2(g)　ΔH＝－368.0 kJ·mol－1
④硝酸铵溶于水要吸热
⑤冰融化要吸热
⑥两种或两种以上互不反应的气体通入一密闭容器中，最终会混合均匀
⑦2H2O2(aq)===2H2O(l)＋O2(g)　ΔS＝＋57.2 J·mol－1·K－1
⑧NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)
ΔS＝＋184.0 J·mol－1·K－1
(1)对于自发反应①②③，从能量角度分析它们为什么可以自发？
提示　①②③这三个化学反应都是放热反应，ΔH<0。
(2)对于自发过程④⑤⑥，这些过程都是自发的，是什么因素决定它们能自发进行？
提示　是熵变决定了它们能自发进行。熵是用来描述体系无序程度的物理量，熵变是用来描述无序程度变化的物理量，④⑤⑥的体系都是由有序转变为无序，ΔS>0。
(3)观察⑦⑧两个化学反应，为什么它们的ΔS>0
提示　它们均产生气体，体系的无序程度增大。
导练
1．已知下列过程都能自发进行，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　焓判据是指ΔH＜0的反应有利于自发进行，C项反应的ΔH＞0，按焓判据反应不能发生，而题给条件是能自发进行，所以不能用“焓判据”解释该反应为自发反应。
2．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 ℃、1.01×105 Pa时，2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)是熵减反应
答案　CD
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。
　　　　　　　　用焓变与熵变综合判断反应方向
导学
1．化学反应方向的判据
在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应的焓变有关，又与反应的熵变有关。研究表明，在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，化学反应的方向可以用反应的焓变和熵变来综合判断，判据为ΔG＝ΔH－TΔS(ΔG为反应的吉布斯自由能变)。
ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应正向能自发进行；
ΔG＝ΔH－TΔS＝0，反应达到平衡状态；
ΔG＝ΔH－TΔS>0，反应正向不能自发进行。
2．文字表述
在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，自发反应总是向着ΔH－TΔS<0的方向进行即朝着吉布斯自由能减小的方向进行，直至达到平衡状态。
3．反应方向判据的相关规律
(1)放热的熵增加反应一定能正向自发进行。
(2)吸热的熵减小反应一定不能正向自发进行。
(3)当反应的焓变和熵变的影响相反时，如果二者大小相差悬殊，某一因素可能占主导地位。
①一般常温下自发的放热反应，焓变对反应方向起决定性作用。
②一般常温下自发的吸热反应，熵变对反应方向起决定性作用。
(4)如果反应的焓变和熵变的影响相反且相差不大时，温度可能对反应的方向起决定性作用。
温度与反应方向的关系：
导思
1.判断正误
(1)ΔH＜0，ΔS＜0的反应在温度低时不能正向自发进行(　　)
(2)Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行(　　)
(3)反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可正向自发进行，则该反应的ΔH＜0(　　)
(4)反应SiCl4(g)＋2H2(g)Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。该反应ΔH＞0、ΔS<0(　　)
(5)一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)能自发进行，该反应的ΔH<0(　　)
(6)反应4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应(　　)
(7)反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)的ΔH<0、ΔS＞0(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×
2．汽车尾气(含烃类、CO、NO、SO2等)是城市主要污染源之一，可以采用在汽车排气管上装催化转化器，使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体的方法进行治理，其反应原理是2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)。试着利用焓判据和熵判据分析该反应能自发进行的原因是什么？
提示　只使用催化剂便可使尾气转化，故此反应能自发进行。因反应是气体物质的量减小的反应，故熵减小。因熵减小不利于反应自发，故自发进行的原因是反应放热。
3．已知在100 kPa、298.15 K时石灰石分解反应：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＝＋178.3 kJ·mol－1　ΔS＝＋160.4 J·mol－1·K－1，判断所给条件下该反应能否自发进行？若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度是多少？
提示　在100 kPa、298.15 K时，ΔH－TΔS＝＋178.3 kJ·mol－1－298.15 K×(＋160.4×10－3 kJ·
mol－1·K－1)≈130.5 kJ·mol－1＞0，所以该反应不能自发进行。根据ΔH－TΔS＜0时，反应可自发进行，则有：T＞≈1 111.6 K。
1．(2021·浙江6月选考，17)相同温度和压强下，关于物质熵的大小比较，合理的是(　　)
A．1 mol CH4(g)<1 mol H2(g)
B．1 mol H2O(g)<2 mol H2O(g)
C．1 mol H2O(s)>1 mol H2O(l)
D．1 mol C(s，金刚石)>1 mol C(s，石墨)
答案　B
解析　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、摩尔质量大，所以熵值：1 mol CH4(g)>1 mol H2(g)，A错误；相同状态的相同物质，物质的量越大，熵值越大，所以熵值：1 mol H2O(g)<2 mol H2O(g)，B正确；等物质的量的同种物质，熵值关系为S(g)>S(l)>S(s)，所以熵值：1 mol H2O(s)<1 mol H2O(l)，C错误；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：1 mol C(s，金刚石)<1 mol C(s，石墨)，D错误。
2．反应的焓变、熵变随温度的变化较小，假设它们不随温度变化，根据下表数据，思考回答下列问题：
化学反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1)
①2H2O2(aq)===2H2O(l)＋O2(g) －98 ＋57.2
②CO2(g)===C(s，石墨)＋O2(g) ＋393.5 －2.86
③HCl(g)＋NH3(g)===NH4Cl(s) －176 －285
④CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ＋178.2 ＋169.6
(1)根据表中数据判断：在任何温度下都能正向自发进行的反应是________(填序号，下同)，在任何温度下都不能正向自发进行的反应是______。
(2)利用综合判据，计算反应③能正向自发进行的温度范围。
(3)利用综合判据，计算CaCO3分解的温度条件。
答案　(1)①　②　(2)ΔH－TΔS<0，则－176＋0.285T<0，T<617.5 K≈344.5 ℃，即低于344.5 ℃时反应③能正向自发进行。　(3)CaCO3分解的条件是ΔH－TΔS<0，代入数据，178.2－0.169 6T＜0，解得T＞1 051 K≈778 ℃，即当温度高于778 ℃时，CaCO3开始分解。