2.3 化学反应的方向 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1
文档属性
| 名称 | 2.3 化学反应的方向 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修1 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 92.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-11 10:01:21 | ||
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文档简介
2.3 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ΔH-TΔS判断反应的方向,能综合运用焓变与熵变判断反应的方向。
【自主预习】
一、自发过程与自发反应
1.自发过程:在一定条件下,不需要借助外力就能 的过程。其特点是高能状态 → 低能状态(对外做功或释放热量);有序 → 无序(无序体系更加稳定)。如:高山流水、自由落体、冰雪融化。
2.自发反应:在给定的条件下,可以 到显著程度的化学反应。如:钢铁生锈。
3.特征:具有 ,即过程的某个方向在一定条件下能自发进行,而该过程的逆方向在该条件下肯定不能自发进行。
二、化学反应进行方向的判据
1.焓判据
(1)放热过程中体系能量 ,ΔH ,具有自发的倾向。
(2)实验发现,大多数放热反应是可以 进行的。
例如,Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4 (aq)+Cu(s) ΔH=-216.8 kJ·mol-1。
(3)有些吸热反应也可以 进行,如Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热的,但是这个反应却是可以自发进行的,故不能只根据放热或者吸热来判断化学反应的方向,焓变只是影响反应方向的一种因素。
2.熵判据
(1)熵的定义
描述体系 的物理量,一般用S表示。熵值越大,体系的混乱度 。
(2)熵的大小
同种物质的熵值与其存在状态有关,S(g) S(l) S(s)。
(3)熵判据
体系的混乱度(熵值)增加,ΔS 0,反应有自发的倾向。
有些熵减的过程也能自发进行,如乙烯聚合为聚乙烯的反应,故熵变只是影响反应方向的一种因素。
3.复合判据(自由能ΔG)
在等温、等压条件下的封闭体系中(不考虑体积变化做功以外的其他功),自由能(符号为ΔG,单位为kJ·mol-1) 的变化综合反映了体系的焓变和熵变对自发过程的影响:ΔG=ΔH-TΔS。这时,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。即:
当ΔG <0时,反应能自发进行;
当ΔG=0时,反应处于平衡状态;
当ΔG >0时,反应不能自发进行。
情况 焓变 熵变 自由能变化 反应能否自发进行
① ΔH<0 ΔS>0
② ΔH>0 ΔS<0
③ ΔH<0 ΔS<0
④ ΔH>0 ΔS>0
【参考答案】一、1.自发进行 2.自发进行 3.方向性
二、1.(1)降低 <0 (2)自发 (3)自发
2.(1)混乱程度 越大 (2)> >
(3)> 3.ΔG<0 能 ΔG>0 不能 无法判断 无法判断 无法判断 无法判断
【效果检测】
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)×
【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)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.57 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=+57.16 J·mol-1·K-1;
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔS=+184.05 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=-39.35 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】
一、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。
二、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】实验证明,多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是( )。
A.所有的放热反应都是自发进行的
B.所有的自发反应都是放热的
C.焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素
D.焓变是决定反应是否具有自发性的唯一因素
【答案】C
【解析】不是所有自发进行的反应都是放热反应,如氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应是自发进行的吸热反应,所以只能说焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素,但不是唯一因素,C项正确。
【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生成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生成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。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】已知凡是气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应。下列反应在任何温度下都不能自发进行的是( )。
A.2O3(g)3O2(g) ΔH<0
B.2CO(g)2C(s)+O2(g) ΔH>0
C.N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0
D.CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔH>0
【答案】B
【解析】利用ΔG=ΔH-TΔS进行分析,凡ΔG<0的反应,能自发进行。A项,反应2O3(g)3O2(g), ΔH<0,ΔS>0,该反应能自发进行; B项,反应2CO(g)2C(s)+O2(g),ΔH>0,ΔS<0,该反应在任何温度下都不能自发进行;C项,反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),ΔH<0,ΔS<0,该反应在低温下能自发进行;D项,反应CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),ΔH>0,ΔS>0,该反应在高温下能自发进行。
【例4】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,下列反应一定不能自发进行的是 ( )
A.4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH<0
B.CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s) ΔH<0
C.2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH>0
D.2H2O(l)+O2(g)2H2O2(aq) ΔH>0
【答案】D
【解析】根据ΔG=ΔH-TΔS,若ΔH<0且ΔS>0,则反应能自发进行;若ΔH>0且ΔS<0,则反应不能自发进行;若ΔH>0且ΔS>0,则反应在高温下能自发进行;若ΔH<0且ΔS<0,则反应在低温下能自发进行。随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH<0,故低温下反应可自发进行,A项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH<0,故低温下反应可自发进行,B项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量增多,ΔS>0,且ΔH>0,故反应在高温下可自发进行,C项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH>0,故反应不能自发进行,D项符合题意。
【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=+133.7 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年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)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。
4.(2022·浙江省1月选考,20)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s)An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是( )。
A.ΔH和ΔS均大于零
B.ΔH和ΔS均小于零
C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零
D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
【答案】D
【解析】强电解质溶于水有的放热,如硫酸铜等;有的吸热,如碳酸氢钠等,所以在水中溶解对应的ΔH可能大于零或小于零。熵表示系统混乱程度。体系越混乱,则熵越大。AB型强电解质固体溶于水,存在熵的变化。固体转化为离子,混乱度是增加的,但离子在水中存在水合过程,这样会引发水的混乱度的变化,让水分子会更加规则,即水的混乱度下降,所以整个溶解过程的熵变ΔS取决于固体转化为离子的熵增与水合过程的熵减两个作用的相对大小关系。若是前者占主导,则整个溶解过程熵增,即ΔS>0,反之,熵减,即ΔS<0。综上所述,D项符合题意。
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【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ΔH-TΔS判断反应的方向,能综合运用焓变与熵变判断反应的方向。
【自主预习】
一、自发过程与自发反应
1.自发过程:在一定条件下,不需要借助外力就能 的过程。其特点是高能状态 → 低能状态(对外做功或释放热量);有序 → 无序(无序体系更加稳定)。如:高山流水、自由落体、冰雪融化。
2.自发反应:在给定的条件下,可以 到显著程度的化学反应。如:钢铁生锈。
3.特征:具有 ,即过程的某个方向在一定条件下能自发进行,而该过程的逆方向在该条件下肯定不能自发进行。
二、化学反应进行方向的判据
1.焓判据
(1)放热过程中体系能量 ,ΔH ,具有自发的倾向。
(2)实验发现,大多数放热反应是可以 进行的。
例如,Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4 (aq)+Cu(s) ΔH=-216.8 kJ·mol-1。
(3)有些吸热反应也可以 进行,如Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热的,但是这个反应却是可以自发进行的,故不能只根据放热或者吸热来判断化学反应的方向,焓变只是影响反应方向的一种因素。
2.熵判据
(1)熵的定义
描述体系 的物理量,一般用S表示。熵值越大,体系的混乱度 。
(2)熵的大小
同种物质的熵值与其存在状态有关,S(g) S(l) S(s)。
(3)熵判据
体系的混乱度(熵值)增加,ΔS 0,反应有自发的倾向。
有些熵减的过程也能自发进行,如乙烯聚合为聚乙烯的反应,故熵变只是影响反应方向的一种因素。
3.复合判据(自由能ΔG)
在等温、等压条件下的封闭体系中(不考虑体积变化做功以外的其他功),自由能(符号为ΔG,单位为kJ·mol-1) 的变化综合反映了体系的焓变和熵变对自发过程的影响:ΔG=ΔH-TΔS。这时,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。即:
当ΔG <0时,反应能自发进行;
当ΔG=0时,反应处于平衡状态;
当ΔG >0时,反应不能自发进行。
情况 焓变 熵变 自由能变化 反应能否自发进行
① ΔH<0 ΔS>0
② ΔH>0 ΔS<0
③ ΔH<0 ΔS<0
④ ΔH>0 ΔS>0
【参考答案】一、1.自发进行 2.自发进行 3.方向性
二、1.(1)降低 <0 (2)自发 (3)自发
2.(1)混乱程度 越大 (2)> >
(3)> 3.ΔG<0 能 ΔG>0 不能 无法判断 无法判断 无法判断 无法判断
【效果检测】
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)×
【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)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.57 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=+57.16 J·mol-1·K-1;
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔS=+184.05 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=-39.35 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】
一、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。
二、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】实验证明,多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是( )。
A.所有的放热反应都是自发进行的
B.所有的自发反应都是放热的
C.焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素
D.焓变是决定反应是否具有自发性的唯一因素
【答案】C
【解析】不是所有自发进行的反应都是放热反应,如氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应是自发进行的吸热反应,所以只能说焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素,但不是唯一因素,C项正确。
【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生成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生成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。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】已知凡是气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应。下列反应在任何温度下都不能自发进行的是( )。
A.2O3(g)3O2(g) ΔH<0
B.2CO(g)2C(s)+O2(g) ΔH>0
C.N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0
D.CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔH>0
【答案】B
【解析】利用ΔG=ΔH-TΔS进行分析,凡ΔG<0的反应,能自发进行。A项,反应2O3(g)3O2(g), ΔH<0,ΔS>0,该反应能自发进行; B项,反应2CO(g)2C(s)+O2(g),ΔH>0,ΔS<0,该反应在任何温度下都不能自发进行;C项,反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),ΔH<0,ΔS<0,该反应在低温下能自发进行;D项,反应CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g),ΔH>0,ΔS>0,该反应在高温下能自发进行。
【例4】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,下列反应一定不能自发进行的是 ( )
A.4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH<0
B.CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s) ΔH<0
C.2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH>0
D.2H2O(l)+O2(g)2H2O2(aq) ΔH>0
【答案】D
【解析】根据ΔG=ΔH-TΔS,若ΔH<0且ΔS>0,则反应能自发进行;若ΔH>0且ΔS<0,则反应不能自发进行;若ΔH>0且ΔS>0,则反应在高温下能自发进行;若ΔH<0且ΔS<0,则反应在低温下能自发进行。随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH<0,故低温下反应可自发进行,A项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH<0,故低温下反应可自发进行,B项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量增多,ΔS>0,且ΔH>0,故反应在高温下可自发进行,C项不符合题意;随着反应的进行,气体的物质的量减少,ΔS<0,且ΔH>0,故反应不能自发进行,D项符合题意。
【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=+133.7 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年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)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。
4.(2022·浙江省1月选考,20)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s)An+(aq)+Bn-(aq),其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质,下列说法正确的是( )。
A.ΔH和ΔS均大于零
B.ΔH和ΔS均小于零
C.ΔH可能大于零或小于零,ΔS大于零
D.ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
【答案】D
【解析】强电解质溶于水有的放热,如硫酸铜等;有的吸热,如碳酸氢钠等,所以在水中溶解对应的ΔH可能大于零或小于零。熵表示系统混乱程度。体系越混乱,则熵越大。AB型强电解质固体溶于水,存在熵的变化。固体转化为离子,混乱度是增加的,但离子在水中存在水合过程,这样会引发水的混乱度的变化,让水分子会更加规则,即水的混乱度下降,所以整个溶解过程的熵变ΔS取决于固体转化为离子的熵增与水合过程的熵减两个作用的相对大小关系。若是前者占主导,则整个溶解过程熵增,即ΔS>0,反之,熵减,即ΔS<0。综上所述,D项符合题意。
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