第二章　第三节　化学反应的方向 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1

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________状态转变为________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________自发转变为________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(　　)
1．已知：①2H2＋O22H2O；②2H2O2H2↑＋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？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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
2．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
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________，因此具有________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＝＋109.8 kJ·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____________越大，体系的熵值就________。
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
体系有自发地向混乱度________(即________)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：
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＝____________。ΔG不仅与焓变和熵变有关，还与________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____________的方向进行，直到体系____________。
①当ΔG＜0时，反应______自发进行；
②当ΔG＝0时，反应处于____________；
③当ΔG＞0时，反应________自发进行。
类型 ΔH ΔS ΔH－TΔS 反应的自发性
1 <0 >0 ΔG<0 一定能自发
2 >0 <0 ΔG>0 一定不能自发
3 <0 <0 ΔG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(　　)
1．合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)根据焓判据分析298 K下该反应是否能自发进行？熵判据呢？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
(2)我们如何判断反应的方向？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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？
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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 ℃、1.01×105 Pa时，2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)是熵增反应
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______
________________________________________________________________________。
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＋O22H2O；②2H2O2H2↑＋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　C
2．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＝＋109.8 kJ·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
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：
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 ΔH ΔS ΔH－TΔS 反应的自发性
1 <0 >0 ΔG<0 一定能自发
2 >0 <0 ΔG>0 一定不能自发
3 <0 <0 ΔG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＝－92.4 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)根据焓判据分析298 K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 ℃、1.01×105 Pa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