(共20张PPT)
第三节 化学反应的方向
知识铺垫
必备知识
正误判断
回顾常见的能自发进行的化学反应
1.白磷的着火点较低,为40
℃,在空气中放置时易发生 。钢铁在潮湿的空气中易 ,表面生成一层 。?
2.金属Zn投入稀硫酸中,可剧烈反应,Zn逐渐溶解,且放出 。?
3.氢氧化钡晶体与氯化铵晶体研磨混合后不断搅拌,固体可逐渐变为 ,同时闻到一股 ,这是在室温下二者间发生反应:
。?
自燃
被腐蚀
铁锈
氢气
糊状
刺激性气味
Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.自发过程
自然界有一些过程是自发进行的,而且是有方向性的。如水由高处流向低处。
2.自发反应
有些化学反应也是自发进行的,而且有 。?
3.化学反应的自发性与反应焓变的关系
(1)放热反应:绝大多数都能 ,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。
方向性
自发进行
知识铺垫
必备知识
正误判断
4.化学反应的自发性与熵变的关系
(1)熵
熵是衡量一个体系 的物理量,即表示体系的不规则或无序状态程度的物理量。混乱度 ,体系越无序,体系的熵就 。熵的符号为S。?
(2)物质熵大小的判断
物质的存在状态:对于同一物质,等物质的量的该物质其熵值大小与物质的存在状态有关,气态时熵值最大,固态时熵值最小,而液态时介于二者之间,物质的状态与熵大小的关系:S(g)>S(l)>S(s)。
混乱度
越大
越大
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必备知识
正误判断
(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 的倾向,导致体系的熵 。?
②规律:大多数 的反应都能自发进行。?
③局限性:少数 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。
【微思考】什么样的体系,自发过程才向着熵增的方向进行?
增大
增大
熵增加
熵减少
提示:孤立体系或绝热体系。
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必备知识
正误判断
5.自由能与化学反应的方向
(1)体系的自由能变化(符号ΔG,单位kJ·mol-1)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响,可用于判断化学反应自发进行的方向,表达式为ΔG= 。在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向ΔG 0的方向进行。?
(2)ΔG不仅与焓变和熵变有关,还与 有关。?
①ΔH 0,ΔS 0,则反应一定能自发进行;?
②ΔH 0,ΔS 0,则反应一定不能自发进行;?
③ΔH<0,ΔS 0或ΔH>0,ΔS 0,反应可能自发进行,也可能不自发进行,与反应的 有关。?
<
温度
>
ΔH-T·ΔS
<
>
<
<
>
温度
知识铺垫
必备知识
正误判断
(1)自发反应一定很容易发生。
( )
(2)O2转化变为O3时,熵减小。
( )
(3)同种物质气态时熵值最大。
( )
(4)合成氨反应N2+3H2
2NH3 ΔH<0,高温有利于其自发进行。
( )
(5)能自发进行的反应不一定真的能发生。
( )
(6)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)√ (6)√
任务
素养脉络
随堂检测
利用ΔG=ΔH-TΔS判断反应进行方向的方法
问题探究
1.怎样用自由能变化ΔG判断化学反应自发进行的方向?
2.能够自发进行的反应在常温下就一定能够发生吗?
答案:体系自由能变化ΔG=ΔH-TΔS,其中ΔH为焓变,ΔS为熵变,T为热力学温度。在一定的温度和压强下,将ΔH、ΔS、T的数值代入上述公式,若ΔG<0,则该条件下的反应为自发反应,若ΔG>0,则该条件下的反应不能自发进行。
答案:不一定;自发性只能用于判断过程的方向,不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。
任务
素养脉络
随堂检测
深化拓展
化学反应方向的复合判据
在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向ΔG=ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。
(1)ΔH<0、ΔS>0时,则ΔH-TΔS<0,任何温度下反应均能自发进行。
(2)ΔH>0、ΔS<0时,则ΔH-TΔS>0,任何温度下反应均不能自发进行。
(3)ΔH>0、ΔS>0时,则ΔH-TΔS在较高温度时可能小于零,所以高温有利于反应自发进行。
任务
素养脉络
随堂检测
(4)ΔH<0、ΔS<0时,则ΔH-TΔS在较低温度时可能小于零,所以低温有利于反应自发进行。
图解如下:
任务
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例对于化学反应能否自发进行,下列说法中错误的是( )
A.若ΔH<0,ΔS>0,任何温度下都能自发进行
B.若ΔH>0,ΔS<0,任何温度下都不能自发进行
C.若ΔH>0,ΔS>0,低温时可自发进行
D.若ΔH<0,ΔS<0,低温时可自发进行
任务
素养脉络
随堂检测
答案:C
解析:
任务
素养脉络
随堂检测
变式训练某反应2AB(g)
C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为( )
A.ΔH<0、ΔS>0 B.ΔH<0、ΔS<0
C.ΔH>0、ΔS>0
D.ΔH>0、ΔS<0
答案:C
解析:A项,ΔH<0、ΔS>0时,ΔH-TΔS在任何温度下小于0;B项,ΔH<0,ΔS<0时,ΔH-TΔS在低温下可能小于0;C项,ΔH>0、ΔS>0时,ΔH-TΔS在高温下可能小于0;D项,ΔH>0、ΔS<0时,ΔH-TΔS在任何温度下大于0。
任务
素养脉络
随堂检测
任务
素养脉络
随堂检测
1.研究过程自发性的目的是( )
A.判断过程的方向
B.确定过程是否一定发生
C.判断过程发生的速率
D.判断过程的热效应
答案:A
解析:研究过程的自发性用于判断过程的方向,不能确定过程是否一定会发生、过程发生的速率、过程的热效应等。
任务
素养脉络
随堂检测
2.下列反应中,在一定温度下,属于自发进行的吸热反应的是( )
A.NaOH与HCl反应
B.CO与O2点燃
C.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应
D.SO3与H2O反应
答案:C
解析:题中4个反应在一定温度下都可自发进行,但只有C项是吸热反应。
任务
素养脉络
随堂检测
3.(双选)下列反应中,熵增加的是( )
A.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)
B.CaCO3(s)+2HCl(aq)=CaCl2(aq)+CO2(g)+H2O(l)
C.C(s)+O2(g)=CO2(g)
D.2Hg(l)+O2(g)=2HgO(s)
答案:AB
解析:对于同种物质,S(g)>S(l)>S(s)。一般来说,有气体生成且气体分子数增加的反应是熵增大的反应。A中气体分子数增多,故熵增大。B中有气体生成,故熵增大。D中气体分子数减少,C中气体分子数不变。
任务
素养脉络
随堂检测
4.反应CH3OH(l)+NH3(g)=CH3NH2(g)+H2O(g)在某温度下才能自发向右进行,若反应的|ΔH|=17
kJ·mol-1,该温度下|ΔH-TΔS|=17
kJ·mol-1,则下列选项中正确的是( )
A.ΔH>0,ΔH-TΔS<0
B.ΔH<0,ΔH-TΔS>0
C.ΔH>0,ΔH-TΔS>0
D.ΔH<0,ΔH-TΔS<0
答案:A
解析:根据方程式可知该反应的ΔS>0,如果ΔH<0,则该反应在任何温度下都自发进行,不符合事实,故ΔH=+17
kJ·mol-1>0,所以选A项。
任务
素养脉络
随堂检测
5.某化学反应的ΔH=-122
kJ·mol-1,ΔS=+231
J·mol-1·K-1,则此反应在下列哪种情况下可自发进行( )
A.在任何温度下都能自发进行
B.在任何温度下都不能自发进行
C.仅在高温下自发进行
D.仅在低温下自发进行
答案:A
解析:题中ΔH<0、ΔS>0,故必有ΔH-TΔS<0,故在任何温度下都能自发进行。第二章化学反应速率与化学平衡
第三节 化学反应的方向
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.下列说法不正确的是( )
A.铁生锈和氢气燃烧均为自发放热过程
B.冰融化的过程中,熵值增大
C.无热效应的自发过程是不存在的
D.同一物质固态时熵值最小
解析铁生锈和氢气燃烧均为放出热量的自发过程,A项正确;冰融化时有序性减弱,混乱度增加,即熵值增大,B项正确;物质由有序转化为无序时,不一定发生热效应,如分子的扩散现象,C项错误;同一物质在固态时有序性最高,熵值最小,D项正确。
答案C
2.在图1中A、B两容器里,分别收集着一种理想气体(二者不反应)。若将中间活塞打开,两种气体分子立即都分布在两个容器中(如图2所示)。关于此过程的下列说法不正确的是( )
A.此过程是自发可逆的
B.此过程从有序到无序,混乱度增大
C.此过程为自发过程,而且没有热量的吸收或放出
D.此过程是向混乱程度增大的方向变化的过程,即熵增加的过程
解析气体扩散过程中,混乱度增大,即ΔS>0,B项、D项正确;该变化过程自发进行,且没有能量变化,即ΔH=0,C项正确;气体的扩散为自发过程,其逆过程不能自发进行,A项错误。
答案A
3.下列变化中,ΔS<0的是( )
A.-10
℃液态水结冰
B.金属钠与水反应
C.干冰(CO2)的升华
D.CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)
解析气体液化、液体凝固是体系混乱度减小的过程,故A项ΔS<0;固体溶解、气体扩散和固体熔化、升华均为体系混乱度增加的过程,故C项ΔS>0;B项中有H2生成,D项中CaCO3固体分解有CO2气体生成,均为熵增过程,ΔS>0。
答案A
4.能用能量判据判断下列过程方向的是( )
A.水总是自发地由高处往低处流
B.放热反应容易自发进行,吸热反应不能自发进行
C.有序排列的火柴散落时成为无序排列
D.多次洗牌以后,扑克牌毫无规律的混乱排列的几率大
解析水总是自发地由高处往低处流,有趋向于最低能量状态的倾向;吸热反应也可以自发进行,例如,在25
℃、1.01×105
Pa时,(NH4)2CO3(s)NH4HCO3(s)+NH3(g) ΔH=+74.9
kJ·mol-1可自发进行,不难看出,上述反应是吸热反应,又是熵增的反应,显然只根据焓变来判断反应进行的方向是不全面的;有序排列的火柴散落时成为无序排列,有趋向于增大混乱度的倾向,属于熵判据;扑克牌的无序排列也属于熵判据。
答案A
5.下列说法正确的是( )
A.若某自发反应的ΔS>0,则该反应一定有ΔH<0
B.NH4HCO3(s)NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.57
kJ·mol-1,能自发进行,原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向
C.因为焓变和熵变都与反应的自发性有关,因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据
D.在其他外界条件不变的情况下,使用催化剂,可以改变化学反应进行的方向
解析自发反应必有ΔH-TΔS<0,当ΔS>0时,ΔH<0或ΔH>0都可能,A项错误;吸热的自发反应一定是熵增大的,B项正确;应将焓变和熵变综合起来即利用复合判据判断反应的自发性,C项错误;使用催化剂只能降低反应的活化能,增大化学反应速率,但不能改变反应的方向,D项错误。
答案B
6.下列说法中正确的是( )
A.凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的
B.自发反应一定熵增大,非自发反应一定熵减小或不变
C.熵增加且放热的反应一定是自发反应
D.非自发反应在任何条件下都不能实现
解析反应的自发性同时受焓变和熵变的影响。放热反应不都是自发的,吸热反应也不都是非自发的;自发反应不一定熵增大,非自发反应也不一定熵减小或不变。反应能不能发生受外界条件的影响,非自发反应在一定条件下也可能发生。
答案C
7.汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)是城市主要污染源之一,治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器,使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体,其反应原理是2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)。由此可知,下列说法中正确的是( )
A.该反应是熵增大的反应
B.该反应不能自发进行,因此需要合适的催化剂
C.该反应常温下能自发进行,高温和催化剂条件只是增大反应的速率
D.该反应常温下能自发进行,因为正反应是吸热反应
解析只使用催化剂便可使尾气发生转化,故此反应能自发进行;因该反应是气体物质的量减小的反应,故熵减小;因熵减小不利于反应自发,故该反应自发进行的主要原因是反应放热。
答案C
8.判断下列反应的熵值的变化,在每小题后面的横线上填上“增大”“减小”或“无明显变化”。
(1)2H2(g)+O2(g)2H2O(l) 。?
(2)H2(g)+Cl2(g)2HCl(g) 。?
(3)(NH4)2CO3(s)NH4HCO3(s)+NH3(g) 。?
(4)Cu(s)+Cl2(g)CuCl2(s) 。?
(5)将少量KNO3晶体溶解在水中 。?
解析判断熵值变化的依据是同温同压下,对同一物质而言,气态熵值>液态熵值>固态熵值,状态都是气态时,看气体物质的量的大小,物质的量越大,熵值越大。KNO3溶于水时KNO3K++N,自由移动离子数目增多,因此熵值增大。
答案(1)减小
(2)无明显变化
(3)增大
(4)减小
(5)增大
提升能力跨越等级
1.二氧化碳的捕捉与封存是实现温室气体减排的重要途径之一,也是未来实现低碳经济转型的重要环节。一些科学家利用太阳能加热反应器来“捕捉”空气中的CO2(如图所示)。下列说法中正确的是( )
生石灰捕捉和封存二氧化碳的示意图
A.步骤一中将反应器加热到400
℃,可提高CaCO3的生成速率
B.步骤一中生成CaCO3的反应为吸热反应
C.步骤一与步骤二中的反应互为可逆反应
D.步骤二中反应的ΔS<0
解析CaO与CO2的反应为放热反应,B项错误;生成CaCO3的反应和CaCO3分解反应的反应条件不同,二者不互为可逆反应,C项错误;反应CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)的ΔS>0,D项错误。
答案A
2.下列反应中,一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)2KCl(s)+3O2(g) ΔH=-78.03
kJ·mol-1 ΔS=+1
110
J·mol-1·K-1
B.CO(g)C(石墨,s)+O2(g) ΔH=+110.5
kJ·mol-1 ΔS=-89.36
J·mol-1·K-1
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)4Fe(OH)3(s)
ΔH=-444.3
kJ·mol-1 ΔS=-280.1
J·mol-1·K-1
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH=+37.3
kJ·mol-1 ΔS=+184.0
J·mol-1·K-1
解析A项,反应为放热的熵增加反应,一定能自发进行;C项,焓变对反应的方向起决定性作用,在低温下反应能自发进行;D项,熵变对反应的方向起决定性作用,在高温下反应能自发进行。
答案B
3.下列说法正确的是( )
A.2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0
B.反应NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
C.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.常温下,反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH<0
解析A项,该反应常温能自发进行,则ΔH-TΔS<0,即ΔH0、ΔS<0,则ΔH<0,B项正确;C项,该反应室温下不能自发进行,则ΔH-TΔS>0,即ΔH>TΔS,又知T>0、ΔS>0,则ΔH>0,C项不正确;D项,常温下该反应不能自发进行,则ΔH-TΔS>0,即ΔH>TΔS,又知T>0、ΔS>0,则ΔH>0,D项不正确。
答案B
4.(双选)下列内容与结论相对应的是( )
选项
内容
结论
A
H2O(g)变成H2O(l)
ΔS>0
B
硝酸铵溶于水可自发进行
因为ΔS>0
C
一个反应的ΔH>0,ΔS>0
反应一定不自发进行
D
H2(g)+F2(g)2HF(g)
ΔH=-271
kJ·mol-1
ΔS=+8
J·mol-1·K-1
反应可自发进行
解析物质由气态变为液态,ΔS<0,A错误;NH4NO3溶于水是吸热的熵增加过程,正是因为ΔS>0,使过程可自发进行,B正确;ΔH>0,ΔS>0时,反应在高温下能自发进行,C错误;因反应的ΔH<0,ΔS>0,故反应能自发进行,D正确。
答案BD
5.灰锡结构松散,不能用于制造器皿;而白锡结构坚固,可以制造器皿。现把白锡制造的器皿放在0
℃、100
kPa的室内存放,它会不会变成灰锡而不能继续使用(已知在0
℃、100
kPa条件下白锡转化为灰锡的反应,焓变和熵变分别为ΔH=-2
180.9
J·mol-1和ΔS=-6.61
J·
mol-1·K-1)( )
A.会变
B.不会变
C.不能确定
D.升高温度才会变
解析在等温、等压条件下,自发反应总是向着ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。因此,在0
℃、100
kPa条件下,白锡会不会变为灰锡的问题就转化为求算反应白锡→灰锡的ΔH-TΔS的问题。ΔH-TΔS=-2
180.9
J·mol-1-273
K×(-6.61
J·mol-1·K-1)=-376.37
J·mol-1<0,因此在该条件下白锡会变为灰锡。
答案A
6.在化学反应A(g)+B(g)2C(g)+D(g) ΔH=Q
kJ·mol-1进行过程中的能量变化如图所示,回答下列问题。
(1)Q 0(填“>”“<”或“=”)。
?
(2)熵变ΔS 0(填“>”“<”或“=”)。
?
(3)该反应 自发进行(填“能”或“不能”)。
?
(4)升高温度,平衡常数 (填“增大”“减小”或“不变”),平衡向 方向移动。
?
解析据图像可知,该反应是放热反应,故Q<0。据反应特点可知,该反应是熵增大的反应。ΔH<0,ΔS>0,则ΔH-TΔS<0,该反应能自发进行。升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小。
答案(1)< (2)> (3)能 (4)减小 逆反应
7.已知一个可逆反应,若正反应为自发过程,则其逆反应为非自发过程,反之亦然。
(1)已知2CO(g)CO2(g)+C(s),T=980
K时ΔH-TΔS=0。当体系温度低于980
K时,估计ΔH-TΔS 0(填“>”“<”或“=”,下同);当体系温度高于980
K时,估计ΔH-TΔS 0。?
(2)电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应为SiO2(s)+4HF(g)SiF4(g)+2H2O(g) ΔH(298.15
K)=-94.0
kJ·mol-1,ΔS(298.15
K)=-75.8
J·mol-1·K-1,设ΔH和ΔS不随温度而变化,则此反应自发进行的温度为 。?
解析(1)C(s)+CO2(g)2CO(g)的反应为吸热反应,ΔH>0,则2CO(g)CO2(g)+C(s)为放热反应,ΔH<0,且该反应ΔS<0,则当T<980
K时,ΔH-TΔS<0;T>980
K时,ΔH-TΔS>0。(2)由题给信息,要使反应能自发进行,须有ΔH-TΔS<0,即-94.0
kJ·mol-1-T×[-75.8
J·mol-1·K-1×10-3
kJ·J-1]<0,则T<≈1.24×103
K。
答案(1)< >
(2)小于1
240
K
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(1)已知:298
K、101
kPa时,反应CaO(s)+SO2(g)CaSO3(s) ΔH=-402.0
kJ·mol-1,ΔH-TΔS=-345.7
kJ·mol-1。若此反应中ΔH和ΔS不随温度变化而变化,则保持此反应自发进行的温度低于 。?
(2)已知:H2O(l)H2O(g) ΔH=+44.0
kJ·mol-1,ΔS=+118.8
J·mol-1·K-1。则水的沸点是 。?
(3)已知在298
K时,由石墨生成金刚石的反应的ΔH=+1.895
kJ·mol-1,ΔH-TΔS=2.866
kJ·mol-1,又已知石墨的熵S石=5.694
J·mol-1·K-1,则金刚石的熵S金= (化学反应的熵变是生成物的总熵与反应物的总熵之差),这两种碳的同素异形体中更有序的是 。?
解析(1)因为298
K、101
kPa时,题给反应的ΔH=-402.0
kJ·mol-1,ΔH-TΔS=-345.7
kJ·mol-1,则有ΔS=(-402.0
kJ·mol-1+345.7
kJ·mol-1)÷298
K≈-0.189
kJ·mol-1·K-1。要使反应能自发进行,需使ΔH-TΔS<0,即-402.0
kJ·mol-1-T×(-0.189
kJ·mol-1·K-1)<0,得T<2
127
K,因此保持此反应自发进行的温度低于2
127
K。
(2)在水沸腾时,ΔH-TΔS=0,则T=ΔH÷ΔS=44.0×103
J·mol-1÷118.8
J·mol-1·K-1≈370.4
K。
(3)石墨转化为金刚石的反应为C(s,石墨)C(s,金刚石),ΔH-TΔS=ΔH-T(S金-S石)=2.866
kJ·
mol-1,即1.895
kJ·mol-1-298
K×(S金-5.694×10-3
kJ·mol-1·K-1)=2.866
kJ·mol-1,解得S金=2.436×10-3kJ·mol-1·K-1=2.436
J·mol-1·K-1。熵用来度量混乱度的程度,混乱度越小,体系的熵值就越小,或者说体系的熵值越小,则越有序。通过上面的计算知S金答案(1)2
127
K (2)370.4
K (3)2.436
J·mol-1·K-1 金刚石
