(共8张PPT)
第三节 化学反应的方向
知识点 1 自发过程与自发反应
必备知识 清单破
自发过程 自发反应 含义 在一定条件下,不需借助外力就能自发进行的过程 在给定的条件下,可以自发进行的化学反应 特征 具有方向性,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不能自发进行 举例 水从高处流向低处、冰雪融化 钢铁生锈
应用 可被用来完成有用功,如H2燃烧可设计成原电池
知识点 2 化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系
1.焓判据
(1)体系趋向于从高能量状态转化为低能量状态(这时体系往往会对外做功或释放能量),这一
经验规律称为焓判据。
(2)大多数放热反应(ΔH<0)可以自发进行,但有些吸热反应(ΔH>0)也能自发进行。因此,反应
焓变是与反应进行的方向有关的因素之一,但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。
2.熵判据
(1)熵判据即熵增原理,体系趋向于从有序体系转变为无序体系,即熵增(ΔS>0)过程中体系无
序程度提高,具有自发进行的倾向。
(2)与焓判据类似,熵判据也不适用于所有反应。大多数自发反应属于熵增反应,如2KClO3(s)
2KCl(s)+3O2(g);但也有些自发反应属于熵减反应,如4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)
4Fe(OH)3(s);还有些熵增反应在温度较低的条件下不能自发进行,如C(s)+H2O(g) CO(g)+
H2(g)在高温条件下才能自发进行。
3.利用复合判据判断化学反应进行的方向【详见定点】
知识辨析
1.自发反应一定能发生,而非自发反应一定不能发生,这种说法对吗
2.自发反应一定很容易发生,这种说法对吗
3.自发进行的反应化学反应速率一定很快,反应程度一定很大,这种说法对吗
4.反应NH4HCO3(s) NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.57 kJ·mol-1,能自发进行,是因为体
系有自发地向混乱度增大的方向转变的倾向,这种说法对吗
一语破的
1.不对。反应的自发性受外界条件的影响,即某些自发反应需在一定条件下才能发生,非自发
反应具备了一定条件也能发生。例如:C的燃烧是一个自发反应,但需要借助外界条件“点
燃”才能发生。
2.不对。自发反应在一定条件下无需外界帮助就能自发进行,但并不一定很容易发生。
3.不对。自发性仅能用于判断过程的方向,不能用于判断反应快慢及反应程度。
4.对。所给反应是吸热反应、熵增反应,利用复合判据ΔG=ΔH-TΔS可知,反应能自发进行的
原因是混乱度增大(ΔS>0)。
关键能力 定点破
定点 利用复合判据判断化学反应进行的方向
1.复合判据
焓判据与熵判据都有一定的局限性,不能用单一判据来判断化学反应进行的方向。在焓
判据与熵判据的基础上,用复合判据来判断反应进行的方向更为准确。
2.温度对反应方向的影响
典例 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破,其反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=
-92.4 kJ·mol-1 ΔS=-200 J·mol-1·K-1。
合成氨反应在常温下 (填“能”或“不能”)自发进行。
思路点拨 此类题需利用ΔG=ΔH-TΔS进行判断,一般ΔH的单位为kJ·mol-1,ΔS的单位为J·mol-1·K-1,所以在进行计算时要先统一ΔH、ΔS的单位。
解析 对于合成氨反应,常温下,ΔG=ΔH-TΔS=-92.4 kJ·mol-1-298 K×(-0.2 kJ·mol-1·K-1)=
-32.8 kJ·mol-1<0,故合成氨反应在常温下能自发进行。
答案 能第二章 化学反应速率与化学平衡
第三节 化学反应的方向
基础过关练
题组一 自发过程与自发反应
1.下列说法中正确的是 ( )
A.能够自发进行的反应一定是放热反应
B.自发反应的熵一定增大,非自发反应的熵一定减小
C.知道了某过程有自发性之后,可预测过程发生反应的快慢
D.熵增且放热的反应一定是自发反应
2.化学与生活息息相关。下列不能自发进行的是 ( )
A.墨汁加到清水中使整杯水变黑
B.水在0 ℃以下结为冰
C.石灰石转化为生石灰
D.水从高处往低处流
题组二 焓变、熵变
3.在下列变化中,体系熵减的是 ( )
A.硝酸铵溶于水 B.固体碘升华
C.氯酸钾分解制备氧气 D.乙烯聚合为聚乙烯
4.如图所示,在图(1)中A、B两容器里分别收集着两种互不作用的理想气体。压强不变,若将中间活塞打开[如图(2)],两种气体分子立即都占满了两个容器。这是一个不需要外界的任何作用的过程。关于此过程下列说法错误的是 ( )
(1) (2)
理想气体的自发混合
A.是从混乱度小向混乱度大的方向变化的过程,即熵增的过程
B.为自发过程,而且没有热量的吸收或放出
C.从有序到无序
D.只有在一定温度下,此过程是自发进行的
5.(经典题)下列有关说法不正确的是 ( )
A.Na与H2O的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行
B.某吸热反应能自发进行,因此该反应一定是熵增反应
C.通常情况下,一个放热且熵增的反应也有可能非自发进行
D.反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
题组三 化学反应方向的判断
6.汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)治理办法之一是在汽车排气管上装催化转化器,反应原理为2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g),在298 K、101 kPa下,ΔH=-113 kJ·mol-1、ΔS=-145 J·mol-1·K-1。下列说法错误的是 ( )
A.由ΔH=-113 kJ·mol-1可知,当有2 mol NO(g)被消耗时反应放出113 kJ的热量
B.可根据计算ΔG是否小于0,判断常温下该反应是否能自发进行
C.使用催化剂可以加快反应速率
D.该反应是熵增的反应
7.下列说法正确的是 ( )
A.常温下反应C(s)+CO2(g) 2CO(g)不能正向自发进行,则该反应的ΔH<0
B.反应2Mg(s)+CO2(g) C(s)+2MgO(s)能正向自发进行,则该反应的ΔH<0
C.P4(s)+3NaOH(aq)+3H2O(l) 3NaH2PO2(aq)+PH3(g) ΔH>0,该反应常温下能正向自发进行,则ΔS<0
D.反应SiO2(s)+3C(s) SiC(s)+2CO(g)常温下不能正向自发进行,则该反应的ΔH<0
能力提升练
题组一 反应焓变、熵变的分析与判断
1.氧气在生产生活中有广泛的应用,1 mol O2随温度升高时的熵(S)的变化示意图如图,下列说法不正确的是 ( )
A.由图可知,1 mol O2(g)的熵值不是定值
B.物质的熵值与物质的组成、状态、温度等因素有关
C.熵值由94 J·mol-1·K-1→170 J·mol-1·K-1的过程中O2由液态转化为气态
D.相同温度和压强下,O4(g)、O3(g)、O2(g)的熵值依次减小
2.(易错题)氮化硼(BN)是重要的无机材料,可通过下面两个反应制得:
反应Ⅰ:2B(s)+N2(g) 2BN(s)
反应Ⅱ:B2O3(s)+2NH3(g) 2BN(s)+3H2O(g)
已知反应Ⅰ常温下能自发进行,反应Ⅱ常温下不能自发进行。下列说法错误的是 ( )
A.常温下反应Ⅰ的ΔG<0,但无法判断化学反应速率快慢
B.反应Ⅰ的ΔS<0,ΔH<0
C.性能优良的催化剂可使反应Ⅱ在常温下自发进行
D.反应Ⅱ中有极性键的断裂与生成
题组二 复合判据与化学反应的方向
3.焦炭常用于冶炼工业。已知反应①:2C(s)+O2(g) 2CO(g);反应②:2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)。反应①、②的反应趋势与温度关系如图所示,下列说法错误的是( )
A.反应②2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)的ΔS<0、ΔH<0
B.983 K是两个反应主次趋势变化的转折点
C.L1对应反应①
D.当温度低于983 K时,氧化产物以反应②生成CO2为主
4.已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生两个反应:①CH4(g) C(s)+2H2(g),②2CH4(g) C2H2(g)+3H2(g)。某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围,在图书馆查到了如下数据:
①的ΔH(298 K)=+74.848 kJ·mol-1,ΔS(298 K)=80.674 J/(mol·K)
②的ΔH(298 K)=+376.426 kJ·mol-1,ΔS(298 K)=220.211 J/(mol·K)
请帮助这位同学解答如下问题:
(1)反应②在 (填“高温”或“低温”)下自发进行。
(2)反应①在常温下 (填“能”或“不能”)自发进行。
(3)求算制取炭黑的允许温度范围: 。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.D 2.C 3.D 4.D 5.C 6.D 7.B
1.D 有些吸热反应也能自发进行,A错误;有些自发反应的熵减小,有些非自发反应的熵增大,B错误;某过程的自发性与反应快慢没有直接联系,C错误;熵增且放热的反应的ΔH-TΔS<0,一定是自发反应,D正确。
2.C 石灰石转化为生石灰需要在高温条件下进行,该变化过程不是自发进行的,C符合题意。
3.D 硝酸铵溶于水使自由移动离子增多,熵增,A不符合题意;固体碘升华,混乱程度增加,B不符合题意;氯酸钾分解制备氧气使得气体分子数增加,混乱程度增加,熵增,C不符合题意;乙烯聚合为聚乙烯,气体分子数减少,混乱程度减小,熵减,D符合题意。
4.D 从图(1)到图(2)的过程是由有序到无序的过程,为混乱度增加的过程,而且没有热量的吸收或放出,A、B、C正确;两种互不作用的理想气体等压混合,是一个不伴随能量变化的熵增过程,在任何温度下都是自发的过程,D错误。
5.C Na与水反应生成H2,ΔS>0,此反应为放热反应,ΔH<0,故ΔH-TΔS<0,该反应能自发进行,A正确;吸热反应的ΔH>0,能自发进行必须满足ΔH-TΔS<0,所以ΔS>0,B正确;当反应是熵增且放热的反应时,一定满足ΔH-TΔS<0,反应一定能自发进行,C错误;反应NH3(g)+HCl(g) NH4Cl(s)为熵减的反应,若在室温下可自发进行,ΔH-TΔS<0,ΔS<0,则一定有ΔH<0,D正确。
6.D 由2NO(g)+2CO(g) N2(g)+2CO2(g) ΔH=-113 kJ·mol-1可知,2 mol NO(g)被消耗时反应放出113 kJ的热量,A正确;根据ΔG=ΔH-TΔS=-113 kJ·mol-1-[298×(-145×10-3)] kJ·mol-1=-69.79 kJ·mol-1<0,可判断常温下该反应能自发进行,B正确;催化剂可加快化学反应速率,C正确;根据ΔS可知该反应是熵减的反应,D错误。
7.B C(s)+CO2(g) 2CO(g)为熵增反应,常温下反应不能正向自发进行,则该反应的ΔH>0,A错误;反应2Mg(s)+CO2(g) C(s)+2MgO(s)为熵减反应,能正向自发进行,则反应的ΔH<0,B正确;P4(s)+3NaOH(aq)+3H2O(l) 3NaH2PO2(aq)+PH3(g) ΔH>0,且反应常温下能正向自发进行,则为熵增反应,即ΔS>0,C错误;反应SiO2(s)+3C(s) SiC(s)+2CO(g)为熵增反应,室温下不能正向自发进行,则该反应的ΔH>0,D错误。
能力提升练
1.D 2.C 3.C
1.D 由题图可知,1 mol O2(g)的熵值随温度的升高而增大,可见1 mol O2(g)的熵值不是定值,A正确。物质的熵值与物质的组成、状态、温度等因素有关,B正确。等量的同一种物质,其熵值大小关系为气态>液态>固态,图像中出现的熵值由59 J·mol-1·K-1→67 J·mol-1·K-1、94 J·mol-1·K-1→170 J·mol-1·K-1两个突变,是氧气状态的改变导致的,其中熵值由94 J·mol-1·K-1→170 J·mol-1·K-1是氧气由液态变为气态的过程,C正确。在同温同压下,物质的熵值的大小和其物质的量成正比,由于三者的物质的量大小关系未知,其熵值大小无法确定,D错误。
2.C 常温下反应Ⅰ的ΔG<0,说明反应可以自发进行,但不能判断化学反应速率的快慢,A正确;2B(s)+N2(g) 2BN(s)是熵减的反应,ΔS<0,该反应常温下能自发进行,则ΔH<0,B正确;反应Ⅱ在常温下不能自发进行,催化剂不能使不能自发进行的反应变为能自发进行的反应(易错点),C错误;反应Ⅱ中有N—H键的断裂及O—H键的生成,故反应Ⅱ中有极性键的断裂与生成,D正确。
3.C 反应②的ΔS<0,273 K时能自发进行,要满足ΔG=ΔH-TΔS<0,则ΔH<0,A正确;相同条件下,ΔG越小,说明它能够反应的趋势越大,983 K时两反应的ΔG相等,之后两反应的ΔG大小关系发生变化,反应主次趋势发生变化,所以983 K是反应主次趋势变化的转折点,B正确;温度大于0,反应①的ΔS>0,则-ΔS<0,所以斜率小于0,L2对应反应①,C错误;当温度低于983 K时,L1的ΔG更小,L1对应反应②,所以以反应②为主,氧化产物以CO2为主,D正确。
4.答案 (1)高温 (2)不能 (3)927.8~1 709.4 K
解析 (1)当ΔH-TΔS<0时,反应能自发进行,由题给数据可知,反应②自发进行时反应温度T>≈1 709.4 K,则该反应在高温下才能自发进行。
(2)由题给数据可知,常温下,反应①ΔH-TΔS=+74.848 kJ·mol-1-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×298 K≈50.807 kJ·mol-1>0,则该反应常温下不能自发进行。
(3)由题给数据可知,反应①自发进行时反应温度T>≈927.8 K,反应②自发进行时反应温度T>1 709.4 K,则利用甲烷制取炭黑温度控制在927.8~1 709.4 K内。
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