人教版高中化学选择性必修1第二章化学反应速率与化学平衡第三节化学反应的方向课件（44页ppt）

(共44张PPT)
　
第二章 化学反应速率与化学平衡　
第三节　化学反应的方向
1.了解自发过程和化学反应的自发性。
2.知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焓变与
熵变有关。
课程标准
任务一　化学反应自发性与反应焓变的关系
情境探究
这些常见的自然现象有什么特点？
提示：自发进行。
新知构建
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，不需要借助外力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 具有方向性，即某个方向在一定条件下是自发的，而其逆方向在该条件下肯定是不能自发进行的
应用 (1)可被用来完成有用功，如水力发电
(2)可用来实现化学能转化为电能，如H2燃烧可设计成原电池
(3)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.化学反应自发性与反应焓变的关系
(1)放热反应：大多数都能__________，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。
(2)吸热反应：有些也能自发进行。
(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。
自发进行
应用评价
1.判断正误，错误的说明其原因。
(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)自发过程不需要任何条件就能发生。
_____________________________________________________________
正确。
错误，有些自发过程是需要条件的，如燃烧。
(3)能自发进行的反应，反应速率一定很大。
_____________________________________________________________
(4)NH4HCO3(s)＋HCl(aq)===NH4Cl(aq)＋CO2(g)＋H2O(l)　ΔH＝＋31.4kJ/mol，该反应的ΔH>0，反应不能自发进行。
______________________________________________________________
错误，自发与速率没有任何关系。
错误，反应自发进行，焓变不是唯一判据。
2.以下自发反应可用焓判据来解释的是
A.硝酸铵自发溶于水
B.2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋109.8kJ·mol－1
C.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝＋74.9kJ·mol－1
D.2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6kJ·mol－1
√
焓判据能够说明放热反应为自发反应，而A、B、C三项中的自发过程均为吸热过程，显然不能单用焓判据来解释，只有D项可以用焓判据来解释。
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任务二　化学反应自发性与反应熵变的关系
新知构建
1.反应熵变与反应方向
(1)熵：度量混乱的程度，符号为S。
(2)物质熵大小的判断
①对于同一物质，等物质的量的该物质其熵值大小与物质的__________有关，气态时熵值最大，固态时熵值最____，液态时介于二者之间，物质的状态与熵的大小的关系：S(g)>S(l)>S(s)。
②同一物质在相同聚集状态时，S(高温)＞S(低温)。
③一般来说，在温度和聚集状态相同时，分子或晶体结构较为复杂的物质熵值较大。
存在状态
小
(3)熵变与反应方向
①含义：大多数自发反应有趋向于体系混乱度增大的倾向，导致体系的熵______。
②规律：大多数熵增加的反应都能自发进行。
③局限性：少数熵减少的反应在一定条件下也可以自发进行，如NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)。
④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。
增大
2.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。
ΔH－TΔS
温度
(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
自由能减小
达到平衡
能
平衡状态
不能
应用评价
1.判断正误，错误的说明其原因。
(1)O2转变为O3时，熵减小。
______________________________________________________________
(2)同种物质气态时熵值最大。
______________________________________________________________
正确。
正确。
(3)2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)是熵减(ΔS<0)的反应，因此不能自发进行。
________________________________________________________________
(4)汽车的尾气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。
________________________________________________________________________________________________________________________________
错误；最终判据为ΔH－TΔS<0，这个反应是能自发进行的。
错误，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。
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_____________________________
___________________________________________。
不能实现，因为该反应的ΔH＞0，ΔS＜0，反应不可能自发进行
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
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随堂演练
√
1.下列说法正确的是
A.能够自发进行的反应都是放热反应
B.能够自发进行的反应一定是熵增的过程
C.当ΔH＜0、ΔS＜0时，该反应都能自发进行
D.水凝结成冰的过程：ΔH＜0，ΔS＜0
能够自发进行的反应不一定是放热反应，如Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O为吸热反应，常温下也能发生，A错误；能够自发进行的反应也可能是熵减的过程，如合成氨反应，B错误；当ΔH＜0、ΔS＜0时，该反应在低温下能自发进行，但在高温下不能自发进行，C错误；水凝结成冰的过程中，能够放出热量，且水分子的排列有序，所以ΔH＜0，ΔS＜0，D正确；故选D。
不能仅仅根据焓变判断反应的自发性，放热反应不一定都是自发进行的，吸热反应也可能是自发进行的，A项错误；自发进行的反应，其现象不一定非常明显，非自发反应的熵不一定减小，B项错误；根据反应C(s)＋CO2(g) 2CO(g)不能自发进行可知，该反应的ΔH－TΔS＞0，又知该反应ΔS＞0，则该反应的ΔH＞0，C项正确；反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则ΔH－TΔS＜0，因ΔS＜0，则ΔH＜0，D项错误。
√
2.下列说法正确的是
A.凡是放热反应都是自发的，因为吸热反应都是非自发的
B.自发反应的现象一定非常明显，非自发反应的熵一定减小
C.常温下，反应C(s)＋CO2(g) 2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH＞0
D.反应2Mg(s)＋CO2(g)===C(s)＋2MgO(s)能自发进行，则该反应的ΔH＞0
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；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；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；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；故选B。
√
3.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)
4.“吉布斯自由能减少原理”或“自由能判据”属于热力学的内容，而热力学的一切结论主要建立在两个经验定律(热力学第一定律和热力学第二定律)的基础上，其研究的对象为大量分子构成的宏观体系，所得的结论具有统计意义，特点是只考虑大量分子的集合体的宏观行为，不考虑物质的微观结构和反应机理，以及变化所需要的时间。
宏观上的转化方向，才是我们说的“自发”，而不是微观上的分子同时在解离和分解，就可以说它们都是自发的。而实际上，对于可逆的化学反应来说，正反应方向与逆反应方向哪个反应速率更大，宏观上就是向哪个方向自发反应的。
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若在一定温度和压强下，有状态A、B和C，
状态A：2molSO2与1molO2混合；
状态B：SO2、O2、SO3(各种原子数与状态A的相同)；
状态C：2molSO3。
(1)状态A、B和C之间的转化，哪个是自发的？_______________________
_________________________。
(2)状态A、B和C的自由能有什么大小关系？_________________________
_______________________。
状态A到状态B是自发的，
状态C到状态B也是自发的
自发过程ΔG<0，则自由能
G(A)>G(B)、G(C)>G(B)
课时测评
√
题点一　自发过程和自发反应
1.下列关于自发反应的叙述中，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
ΔG为状态函数，方程式变向，ΔG变为相反数，故自发反应的逆过程为非自发反应，A错误；铁的生锈为放热反应，属于自发反应，B错误；自发过程包括自发化学反应和自发物理过程，C正确；ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG大小受温度等外界条件影响，D错误；答案选C。
2.下列反应属于非自发反应的是
A.钠与水反应
B.氢气在氧气中燃烧生成水
C.水分解变成氢气和氧气
D.氨气和氯化氢相遇变成氯化铵
√
√
3.下列说法正确的是
A.常温常压下，Na2CO3、CaCO3的溶解焓变相近，Na2CO3(s) 2Na＋(aq)＋CO (aq)　 ΔS1；CaCO3(s) Ca2＋(aq)＋CO (aq)ΔS2，则ΔS1>ΔS2
B.NaCl(s)===NaCl(l)　ΔS<0
C.非自发进行的反应一定不可能发生
D.需要加热才能进行的过程肯定不是自发过程
反应自发进行的判断依据是ΔH－TΔS＜0，常温常压下，Na2CO3、CaCO3的溶解焓变相近，而碳酸钙难溶于水、碳酸钠易溶于水，碳酸钠的溶解为自发进行的，则说明碳酸钠溶解的熵变更大，故ΔS1>ΔS2，A正确；固体变为液体的过程为熵增过程，熵变大于零，B错误；反应是否自发进行由反应的焓变、熵变、温度共同决定，非自发过程，改变温度可能变为自发过程，如焓变大于0，熵变大于0的反应低温可以是非自发进行的反应，高温下可以自发进行，C错误；有些自发进行的反应也需要反应条件，才能进行，如氢气和氧气需要点燃，D错误；故选A。
√
题点二　焓变和熵变与反应进行方向的判断
4.下列对化学反应预测正确的是
选项 化学反应方程式 已知条件 预测
A M(s)===X(g)＋Y(s) ΔH>0 它是非自发反应
B W(s)＋xG(g)===2Q(g) ΔH<0，自发反应 x可能等于1、2、3
C 4X(g)＋5Y(g)
===4W(g)＋6G(g) 能自发反应 ΔH一定小于0
D 4M(s)＋N(g)＋2W(l)===4Q(s) 常温下，自发进行 ΔH>0
反应中气体分子数增大，则ΔS＞0，又因ΔH＞0，则反应高温自发，A错误；反应ΔH＜0，且能自发进行，则可能ΔS＞0、ΔS＝0或ΔS＜0，反应中气体分子数可能增大、不变或减小，B正确；反应中气体分子数增大，ΔS＞0，又反应能自发，则ΔH＞0、ΔH＝0或ΔH＜0都有可能，C错误；反应中气体分子数减小，ΔS＜0，又常温自发，则必有ΔH＜0，D错误；故选B。
√
5.实现“节能减排”和“低碳经济”的一个重要课题就
是如何将CO2转化为可利用的资源。目前工业上有一种
方法是用CO2来生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：
CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，如图表示该
反应过程中能量(单位为kJ·mol－1)的变化。下列关于该
反应的说法正确的是
A.ΔH＞0，ΔS＞0　 B.ΔH＞0，ΔS＜0
C.ΔH＜0，ΔS＜0 D.ΔH＜0，ΔS＞0
根据反应过程中能量变化的情况可知反应物的总能量高于生成物的总能量，反应放热，ΔH＜0；该反应发生后气体的物质的量减小，ΔS＜0。
√
题点三　自由能(复合判据)与反应进行方向的判断
6.研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是
A.ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行
B.在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应的方向
C.反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0
D.高温下，反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)能自发进行，则其ΔH>0、ΔS>0
对于ΔH<0、ΔS>0的反应，任何温度下都有ΔH－TΔS<0，即在任何温度下反应均能自发进行，A项错误；催化剂只能改变反应速率，不改变反应的方向，B项错误；反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)的ΔS>0，由于在室温下不能自发进行，所以此时ΔG＝ΔH－TΔS>0，即该反应的ΔH>0，C项错误；反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)的ΔS>0，高温下该反应能自发进行，则ΔH>0，D项正确。
√
7.(2023·浙江省绍兴市高二期末)在298K和100kPa压力下，已知金刚石和石墨的熵、燃烧热和密度分别为：
此条件下，对于反应C(石墨)===C(金刚石)，下列说法正确的是
A.该反应的ΔH>0，ΔS<0
B.由公式ΔG＝ΔH－TΔS可知，该反应ΔG＝985.29kJ/mol
C.金刚石比石墨稳定
D.相同条件下，1mol金刚石与1mol氧气的能量总和小于1molCO2气体的能量
物质 S/[J/(K·mol)] ΔH/(kJ/mol) ρ/(kg/m3)
C(金刚石) 2.4 －395.40 3513
C(石墨) 5.7 －393.51 2260
在相同条件下，等物质的量的C(石墨)和C(金刚石)燃烧分别放出热量为393.51kJ、395.40kJ，说明C(金刚石)具有更多能量，所以C(石墨)
===C(金刚石)为吸热反应，ΔH>0，ΔS＝S(金刚石)－S(石墨)＝－3.3J/(K·mol)<0，故A正确；ΔG＝ΔH－TΔS＝1.89kJ/mol－298K×[－3.3×10－3kJ/(K·mol)]＝2.8734kJ/mol，故B错误；C(金刚石)具有更多能量，能量越高物质越不稳定，所以石墨更稳定，故C错误；金刚石燃烧与氧气反应生成二氧化碳和水，为放热反应，说明反应物总能量大于生成物总能量，故D错误；故选A。
物质 S/[J/(K·mol)] ΔH/(kJ/mol) ρ/(kg/m3)
C(金刚石) 2.4 －395.40 3513
C(石墨) 5.7 －393.51 2260
√
8.C10H18在催化剂作用下，发生脱氢反应的过程如图所示。下列说法不正确的是
A.反应C10H18(l) C10H12(l)＋3H2(g)的ΔH＝(E1－E2)kJ·mol－1
B.反应C10H18(l) C10H12(l)＋3H2(g)的ΔS>0
C.C10H18(l)到C10H8(l)的反应速率快慢主要由第2步反应决定
D.使用催化剂不会改变反应的ΔH
焓变＝正反应活化能－逆反应活化能，则反应C10H18(l) C10H12(l)＋3H2(g)的ΔH＝(E1－E2)kJ·mol－1，A正确；反应C10H18(l) C10H12(l)＋3H2(g)是气体分子数增大的反应，则ΔS>0，B正确；活化能越大反应速率越慢，由图知第1步反应的活化能大于第2步，则反应速率快慢主要由第1步反应决定，C错误；使用催化剂可降低反应活化能，但不会改变反应的ΔH，D正确；故选C。
题点四　由浓度商和平衡常数判断平衡状态或反应进行的方向
9.(2023·河南高二上学期第一次联考)在500℃时，可逆反应H2(g)＋I2(g) == 2HI(g) K＝28。500℃时，向10L恒容密闭容器内充入0.89molHI、0.25molH2和0.40molI2，下列说法正确的是
A.此反应的初始状态为化学平衡状态
B.此反应的初始状态不是化学平衡状态，反应将正向进行
C.此反应的初始状态不是化学平衡状态，反应将逆向进行
D.无法判断此反应的初始状态是否为化学平衡状态
该反应初始状态的浓度商Q＝ ＝7.921始状态不是化学平衡状态，反应将正向进行，A、C、D错误，B正确。
√
√
10.(2023·安徽省亳州市高二期末)向某密闭容器中充入一定量的A(g)、B(g)混合气体，一定条件下发生反应：aA(g)＋bB(g) cC(g)＋dD(g)　ΔH，平衡时C的物质的量分数与温度、压强的关系如图所示。下列说法正确的是
A.该反应的ΔH<0
B.该反应为熵减反应，ΔS<0
C.该反应一定能自发进行
D.增大压强，该反应的平衡常数增大
由题图可知，在同一压强下，升高温度，C的物质
的量分数增大，平衡正向移动，而升高温度，平
衡向吸热的方向进行，说明正反应为吸热反应，
ΔH＞0，A错误；作一条垂直于横坐标的直线可以
看出，在同一温度下，增大压强，C的物质的量分数增大，平衡正向移动，而增大压强，平衡向着体积减小的方向移动，则a＋b>c＋d，该反应为熵减反应，ΔS<0，B正确；由选项A和B的分析知，ΔH＞0、ΔS<0，则ΔG＝ΔH－TΔS＞0，反应不能自发进行，C错误；平衡常数只受温度的影响，温度不变，该反应的平衡常数不变，D错误；故选B。
11.氮氧化物的有效去除和资源的充分利用是当今社会的重要研究课题。
(1)已知：①2NO(g)＋2ICl(g) == 2NOCl(g)＋I2(g)
②2NOCl(g) == 2NO(g)＋Cl2(g)
③I2(g)＋Cl2(g) == 2ICl(g)
若向VL恒容密闭容器中加入2molNO和2molICl发生上述反应，达到平衡时，容器中NOCl(g)为amol，Cl2(g)为bmol，此时I2(g)的浓度为
________mol·L－1(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应③的平衡常数
为____________。
(2)某化工厂排出的尾气(含CO、N2O)治理的方法为在密闭容器中发生如下反应：CO(g)＋N2O(g) == CO2(g)＋N2(g)，CO、N2O在Pt2O＋表面进行反应转化为无毒气体，其相对能量与反应历程的关系如图所示：
用方程式表示N2O在Pt2O＋表面上的反应__________________________。
N2O＋Pt2O＋===N2＋Pt2O
N2O在Pt2O＋表面上的反应为N2O＋Pt2O＋===N2＋Pt2O ；
(3)已知4CO(g)＋2NO2(g) == 4CO2(g)＋N2(g)　ΔH1＝－1200kJ·mol－1，该反应在______(填“高温”、“低温”或“任何温度”)下能自发进行，为探究温度及不同催化剂对该反应的影响，保持其它初始条件不变重复实验，在相同时间内测得N2产率与温度的关系如图所示。在催化剂乙作用下，图中M点对应的速率(对应温度400℃)v正____(填“＞”、“＜”或　“＝”)v逆，温度高于400℃，N2产率降低的原因可能是_______________
_________。
低温　
＞　
温度升高催化剂
活性降低
已知4CO(g)＋2NO2(g) 4CO2(g)＋N2(g)　
ΔH1＝－1200kJ·mol－1，该反应为放热的，
熵减的反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0能自
发进行分析，在低温下能自发进行。在催
化剂乙作用下，图中M点氮气的产率较低，说明反应速率较慢，还没有到平衡，即对应的速率(对应温度400℃)v正＞v逆，温度高于400℃，根据另一种催化剂催化下氮气的产率随温度的变化曲线可知，该反应仍未达到平衡状态，故N2产率降低的原因一定是因为反应速率减小，故可能是温度升高导致催化剂活性降低。
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