2.1 化学反应的方向 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

2.1 化学反应的方向
【学习目标】
1.了解焓变与熵变的含义,理解焓变、熵变与反应方向的关系,能举出反应的实例,体会反应的特点。
2.学会运用关系式ΔG=ΔH-TΔS判断反应的方向,能综合运用焓变与熵变判断反应能否自发进行。
【自主预习】
一、反应焓变与反应方向
1.自发过程与自发反应
自发过程 自发反应
含义 在一定条件下,不借助外部力量就能自发进行的过程 在给定的条件下,可以自发进行到显著程度的化学反应
特征 具有　　　　,即过程的某个方向在一定条件下自发进行,而该过程逆方向在该条件下肯定　　　　　
举例 高山流水、自由落体、冰雪融化 钢铁生锈
应用 (1)可被用来完成有用功。如H2燃烧可设计成原电池 (2)非自发过程要想发生,必须对它做功。如通电将水分解为H2和O2
2.反应焓变与反应方向的关系
(1)多数能自发进行的化学反应是ΔH　　　　0的反应。
(2)有些ΔH　　　　0的反应也能自发进行。
(3)不能仅用反应焓变来判断反应能否　　　　进行。
二、反应熵变与反应方向
1.熵
(1)概念:描述体系　　　　的一个物理量,符号为　　　　,单位是J· mol-1·K-1。
(2)特点:体系的无序程度越大,体系的熵值就　　　　。
(3)影响因素
①同一物质:S(高温)>S(低温),S(g)　　　　S(l)　　　　S(s)。
②不同物质:相同条件下不同物质具有不同的熵值,分子结构越复杂,熵值越大。
③S(混合物)　　　　S(纯净物)。
2.反应熵变
3.反应熵变与反应方向
(1)二者关系
(2)结论:不能仅用反应　　　来判断反应能否自发进行。
【微点拨】
(1)物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程,熵变为正值,是熵增加的过程。
(2)气体体积增大的反应,熵变通常都是正值,是熵增加的反应。
(3)气体体积减小的反应,熵变通常都是负值,是熵减小的反应。
三、用焓变与熵变综合判断反应方向
1.综合判断
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　　　　。
(1)判断方法
(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,直至达到平衡状态。
2.用ΔG=ΔH-TΔS判断反应自发进行的可能性
化学反应 ΔH/(kJ·mol-1) ΔS/(J· mol-1·K-1) ΔG的大小 (与0比较) 能否正向自发进行
2KClO3(s)2KCl(s)+3O2(g) -78.03 +494.4 ΔG一定小于0 任何温度下都能正向自发进行
CO(g)C(s,石墨)+O2(g) +110.5 -89.4 ΔG一定大于0 任何温度下都不能正向自发进行
4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)4Fe(OH)3(s) -444.3 -280.1 低温时ΔG<0 低温下能正向自发进行
CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) +178.2 +169.6 高温时ΔG<0 高温下能正向自发进行
注:假设反应的焓变、熵变不随温度的改变而变化。
3.ΔH-TΔS判据的局限性
(1)只能用于判断等温、等压条件下的反应,不能用于判断其他条件(如等温、等容)下的反应。
(2)只能用于判断等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下反应　　　　　　　,并不能说明在该条件下可能正向自发进行的反应能否　　　。
【微点拨】
在ΔH和ΔS确定的情况下,温度有可能对反应的方向起决定作用。
【参考答案】一、1.方向性　不能自发进行
2.(1)<　(2)>　(3)自发
二、1.(1)无序程度　S　(2)越大　(3)①>　>　③>
2.反应产物的总熵　反应物的总熵　3.(1)增加　减小　(2)熵变
三、1.ΔH-TΔS　(1)<　=　>
3.(2)正向自发进行的趋势　实际发生
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)所有能够自发进行的化学反应都是放热反应。 (　　)
(2)自发反应在任何条件下都能发生。 (　　)
(3)同一种物质的固、液、气三种状态的熵值相同。 (　　)
(4)非自发过程在一定条件下可能变成自发过程。 (　　)
(5)需要加热才能够进行的过程肯定不是自发过程。 (　　)
(6)ΔH>0、ΔS<0的反应,任何温度下都不能自发进行。 (　　)
(7)反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0。 (　　)
(8)2NaHCO3(s)Na2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)在室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√　(7)√　(8)×
2.O2转化为O3时,熵的变化如何
【答案】O2转化为O3的化学方程式为3O22O3,气体的体积减小,故体系的熵减少。
3.合成氨反应N2+3H22NH3　ΔH<0,根据ΔG=ΔH-TΔS判断低温还是高温有利于其自发进行
【答案】低温。此反应气体的体积减小,即ΔS<0,而此反应ΔH<0,故要使ΔH-TΔS<0成立,T应较小,即低温有利于该反应的自发进行。
【合作探究】
任务1：反应焓变、熵变与反应方向
情境导入　水由高处流往低处,自由落体,室温下冰块融化,铁器暴露于潮湿的空气中生锈……我们非常清楚这些生活中的现象将向何方发展,因为它们有明显的自发性,其中是否蕴藏了一定的科学原理呢
问题生成
1.情境中水往低处流、自由落体、室温下冰块融化都属于自发过程。请结合学过的化学反应,举例说明哪些反应是自发的,其逆反应是非自发的。
【答案】(1)煤气在空气中点燃后燃烧;
(2)酸碱混合发生中和反应;
(3)甲烷和氧气的混合气体遇明火爆炸;
(4)Zn与CuSO4溶液反应生成Cu和ZnSO4,等等。
2.①多数能自发进行的化学反应是放热反应。例如,在常温、常压下,氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁的反应是自发的:4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)4Fe(OH)3(s) ΔH(298 K)=-444.3 kJ·mol-1。
②有些吸热反应也能自发进行。例如:
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)CH3COONH4(aq)+H2O(l)+CO2(g)　ΔH=+37.30 kJ·mol-1。
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:CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),ΔH(298 K)=+178.2 kJ·mol-1,ΔH(1200 K)=+176.5 kJ·mol-1。
(1)反应焓变与反应方向的关系如何
【答案】能自发进行的化学反应多数是放热反应;有些吸热反应也能自发进行。
(2)体系总是向降低自身能量的方向进行变化,那么,ΔH<0的反应为何不能全部自发进行
【答案】体系的能量变化并不只有焓变一种形式,焓变只是影响反应能否自发进行的因素之一,并不是唯一因素。
3.①许多熵增的反应在常温常压下能自发进行,例如:
2H2O2(aq)2H2O(l)+O2(g)　ΔS=+57.2 J·mol-1·K-1;
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l)　ΔS=+184.0 J·mol-1·K-1。
②有些熵增的反应在常温常压下不能自发进行,但在高温下可以自发进行,例如:
CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)　ΔS=+169.6 J·mol-1·K-1;
C(s,石墨)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　ΔS=+133.8 J·mol-1·K-1。
③有些熵减的反应在一定条件下也能自发进行,例如:
2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s)　ΔS=-39.4 J·mol-1·K-1。
(1)熵变与反应方向关系如何
【答案】①熵增有利于反应的自发进行。②某些熵减的反应在一定条件下也能自发进行。③反应熵变是决定反应能否自发进行的因素之一,但不是唯一因素。
(2)熵变的正负值如何判断
【答案】①物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程,熵变为正值,是熵增的过程。②气体体积增大的反应,熵变通常都是正值,是熵增的反应。③气体体积减小的反应,熵变通常都是负值,是熵减的反应。
【核心归纳】
1.能量判据
自然界中的自发过程,都有由能量较高状态向能量较低状态转化的倾向;绝大多数放热反应都能自发进行,且反应放出的热量越多,体系能量降低得也越多,反应越完全。
(1)焓变(ΔH)只与反应体系的始态和终态有关,与反应进行的途径无关。
(2)焓变(ΔH)是决定反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素。
(3)ΔH<0时,反应有自发进行的倾向。
2.熵判据
(1)对于确定的化学反应,在一定条件下,具有确定的熵变。
(2)熵变(ΔS)只与反应体系的始态和终态有关,与反应进行的途径无关。
(3)熵变(ΔS)是决定反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素。
(4)熵增(ΔS>0)有利于反应的自发进行。
【典型例题】
【例1】下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是(　　)。
A.化学反应的焓变与其反应的方向无关
B.化学反应的焓变直接决定了反应的方向
C.反应焓变为正值时不利于反应自发进行
D.焓变为负值的反应都能自发进行
【答案】C
【解析】可逆反应的两个反应其焓变的数值相等,但是符号(变化趋势)相反,A项错误;焓变对反应方向有直接影响,但不能决定反应进行的方向,B项错误;焓变为正值,吸收热量,体系能量升高,不利于反应自发进行,C项正确;焓变为负值的反应多数能自发进行,但有的也不能自发进行,D项错误。
【例2】下列变化中ΔS<0的是(　　)。
A.固体NaCl溶于水
B.液态水变为水蒸气
C.N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
D.2HgO(s)2Hg(l)+O2(g)
【答案】C
【解析】固体物质溶于水,固态物质变为液态物质或气态物质,液态物质变为气态物质,其过程均属于熵增加的过程,即ΔS>0。有气体参加或生成的化学反应,通常可由反应前后气体分子数变化来判断其熵变。在化学反应中,反应物气体分子数比反应产物气体分子数多的反应,一般属于熵减小的反应,即ΔS<0;反应物气体分子数比反应产物气体分子数少的反应,一般属于熵增加的反应,即ΔS>0。
任务2：焓变与熵变对反应方向的共同影响
情境导入　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,也与反应的熵变有关。自发进行的反应不一定都是由高能状态到低能状态的过程,如NH4Cl与Ca(OH)2的反应是吸热过程,由低能状态到高能
状态,因此焓判据只是判断反应方向的依据之一。那么如何判断反应能否自发进行呢
问题生成
1.化学反应体系焓变(ΔH)和熵变(ΔS)为何值时,有利于反应的自发进行
【答案】(1)ΔH<0,ΔS>0,反应一定能自发进行;
(2)ΔH>0,ΔS<0,反应一定不能自发进行;
(3)当焓变和熵变相差悬殊时,可能某一个因素占主导地位。
2.反应是否自发与温度有无关联,它在复合判据中是如何体现的
【答案】根据复合判据ΔH-TΔS分析,反应能否自发进行与温度有关,一般低温时以焓变影响为主,高温时以熵变影响为主。
3.ΔH-TΔS作为化学反应方向的判据,它适用的条件是什么
【答案】温度、压强一定。
【核心归纳】
1.反应方向的综合判据ΔH-TΔS
ΔH-TΔS<0　反应能自发进行
ΔH-TΔS=0　反应达到平衡状态
ΔH-TΔS>0　反应不能自发进行
2.温度对反应方向的影响
【典型例题】
【例3】下列反应在任意温度下一定能自发进行的是(　　)。
A.2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2↑+H2↑
B.NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)　ΔH<0
C.CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)　ΔH>0
D.X2Y2(g)X2(g)+Y2(g)　ΔH<0
【答案】D
【解析】A项,需通电才能进行,为非自发反应;B项,ΔH<0、ΔS<0,在低温下ΔH-TΔS<0,反应能自发进行;C项,ΔH>0,ΔS>0,在高温下ΔH-TΔS<0,反应能自发进行;D项,ΔH<0,ΔS>0,在任何温度下ΔH-TΔS<0,反应一定能自发进行。
【例4】下列判断错误的是(　　)。
①反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
②CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)在室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0
③一定温度下,反应MgCl2(l)Mg(l)+Cl2(g)的ΔH>0、ΔS>0
A.①③　　　B.②③　　　C.①　　　D.②
【答案】D
【解析】①中反应的ΔS<0,在室温下能自发进行,根据ΔH-TΔS<0,则ΔH<0,正确;②中分解反应是吸热反应,ΔH>0,生成气体,是熵增反应,该反应在高温下能自发进行,错误;③中有气体生成,是熵增反应,该反应为分解反应,反应吸热,ΔH>0,正确。
【随堂检测】
课堂基础
1.下列关于焓判据和熵判据的说法中,不正确的是(　　)。
A.放热的自发过程可能是熵减小的过程,吸热的自发过程一定为熵增加的过程
B.由焓判据和熵判据组合成的复合判据更适合判断所有过程的自发性
C.在室温下碳酸钙的分解反应不能自发进行,但同样是这个吸热反应,其在较高温度(1200 K)下能自发进行
D.放热过程(ΔH<0)或熵增加(ΔS>0)的过程一定是自发的
【答案】D
【解析】焓判据和熵判据都不全面,应采用复合判据ΔH-TΔS来判断过程的自发性。CaCO3分解反应的ΔH>0、ΔS>0,所以在较高温度下ΔH-TΔS<0,反应能自发进行。
2.根据自发反应的条件回答下列问题:
(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)运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义,请完成下列探究。
生产氢气:将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。C(s)+
H2O(g) H2(g)+CO(g)　ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.8 J·mol-1·K-1,该反应在低温下　　　　(填“能”或“不能”)自发进行。
【答案】(1)该反应是ΔH>0、ΔS<0的反应,任何温度下均不能自发进行　(2)不能
对接高考
3.(2021·6月浙江选考,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)的物质的量相同,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:1 mol CH4(g)>1 mol H2(g),A项错误;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项正确;等量的同种物质,熵值关系为S(g)>S(l)>S(s),所以熵值:1 mol H2O(s)<1 mol H2O(l),C项错误;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项错误。
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