化学反应的方向(知识解读)(教师版)-2024-2025学年高二化学同步教学知识解读与分层特训.pdf

第二章第二章 化学反应速率与化学平衡化学反应速率与化学平衡第三节第三节 化学反应的方向化学反应的方向课程学习目标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和熵变有关。学科核心素养1.证据推理与模型认知：了解判断化学反应进行方向的三个判据，构建判断化学反应自发性的思维方法模型。2.科学态度与社会责任：根据三个判据的发展过程，理解科学知识的曲折发展历程，增强对化学反应自发性研究重要意义的认识。【新知学习】水总是自发地从高处流向低处液溴挥发铁生锈铁置换出铜以上这些变化，均不需外界条件可自发进行。一自发过程和自发反应自发过程自发反应含义在一定条件下，不用借助外力，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 O21不能认为自发反应都是不需要任何条件就能发生的，自发反应的“一定的条件”，可以是一定的温度和压强，可以是“点燃、光照、加热、高温”等给反应物提供能量的条件，“外界帮助”指通电、放电等，如氢气的燃烧是自发的通过需点燃才能发生；也不能认为非自发反应在任何条件下都是不能发生的，如 NaCl 在通电条件可分解生成 Na 和 Cl2。2不能认为自发反应应用普通，非自发反应没有应用价值。将电能、热能转化为化学能的许多非自发反应是制备物质的重要反应，如电解法去冶炼钠、镁、铝和制取氯气等。3反应能否自发进行与反应速率无关。以下反应均可自发进行，这是为什么？H2(g)F2(g)2HF(g)H546.6 kJmol1 2K(s)2H2O(l)2KOH(aq)H2(g)H393.62 kJmol1 4Fe(s)3O2(g)2Fe2O3(s)H1 648.4 kJmol1。放热反应过程中体系能量降低，因此具有自发进行的倾向，科学家提出用焓变(能量变化)来判断反应进行的方向，这就是焓判据(能量判据)。那么，对于吸热反应能否自发进行？以下两反应，也能自发进行：2N2O5(g)4NO2(g)O2(g)H109.8 kJmol1 NaHCO3(s)HCl(aq)NaCl(aq)CO2(g)H2O(l)H31.4 kJmol1。【典例 1】下列不属于自发进行的变化是A红墨水加到清水使整杯水变红B冰在室温下融化成水C电解饱和食盐水D铁器在潮湿的空气中生锈【答案】C【解析】A扩散现象，是熵增加的自发过程，A 不符合题意；B冰的熔点为 0，水常温是液体，冰在室温下融化成水，是熵增加的自发过程，B 不符合题意；C电解饱和食盐水，是在外电场的作用下强制发生的氧化还原反应，不是自发过程，C 符合题意；D铁在潮湿的空气中生锈是发生了自发的氧化还原反应，属于电化学腐蚀，是自发进行的化学过程，D 不符合题意；综上所述答案为 C。二焓变与反应的方向1多数放热反应可以自发进行。2有些吸热反应也可以自发进行。部分反应不具有自发性，如 2CO(g)2C(s)O2(g)、H2(g)MgO(s)Mg(s)H2O(l)等，CaCO3(s)CaO(s)CO2(g)在常温下不能发生，但在高温下可自发进行。故只用焓判据判断反应是否自发不全面。为什么有些吸热过程也能自发进行？气体扩散水中滴加红墨水硫酸铜溶于水火柴盒里火柴散落以上过程，以自发进行，都是从混乱度小(有序)向混乱度大(无序)的方向进行。对于反应如 2N2O5(g)4NO2(g)O2(g)、NaHCO3(s)HCl(aq)NaCl(aq)CO2(g)H2O(l)，也是伴随着体系混乱度的增大。这个混乱度科学家命名为“熵”。【典例 2】判断下列说法的正误。0HD的反应一定不能自发进行 _常温下，22Ba OH8H O晶体与4NH Cl晶体的反应可自发进行 _常温下，反应 322Al s6HCl aq2AlClaq=3Hg+可自发进行 _反应的焓变是影响反应能否自发进行的一个因素 _【答案】错误 错误 正确 正确 正确 【解析】焓变是影响反应能否自发进行的一个因素，但不是唯一因素，大多数放热反应(0HD)也能自发进行，故错误；中的反应为吸热反应，但常温下可自发进行，故正确；中的反应为放热反应，常温下可自发进行，故正确；反应的焓变是影响反应能否自发进行的一个因素，故正确。三熵变与反应的方向1熵、熵变的概念定义度量体系混乱程度的物理量(体系的有序性越高，混乱度越低，熵值越小)熵符号S定义物质发生变化时，体系的熵的变化符号S熵变意义混乱度增加的过程或反应为熵增，S0；混乱度减小的过程或反应为熵减，S0(产生气体的反应和气体物质的量增大的反应，熵变为正值 S0，是熵增反应)；化学反应的 S 越大，越有利于反应自发进行2熵值大小体系的熵值：体系的混乱程度越大，体系的熵值就越大。同一物质的熵值：S(g)S(l)S(s)，同一条件下，不同物质的熵值不同。3熵判据体系有自发地向混乱度增加(即熵增)的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向许多熵增的反应是自发的，如 2KClO3=MnO2 2KCl3O2、CaCO32HClCaCl2H2OCO2等。有些熵减的反应也可以自发进行，如：Ca(OH)2(aq)CO2(g)CaCO3(s)H2O(l)、NH3(g)HCl(g)NH4Cl(s)。故只用熵判据判断反应是否自发不全面。我们可以用焓变和熵变来综合判断。【典例 3】下列反应S0 的是AHCl(g)+NH3(g)=NH4Cl(s)B2CO(g)=2C(s)+O2(g)CN2(g)+3H2(g)=2NH3(g)DCaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)【答案】D【解析】A该反应为气体系数之和减小的反应，S0，A 不符合题意；B该反应为气体系数之和减小的反应，S0，B 不符合题意；C该反应为气体系数之和减小的反应，S0，C 不符合题意；D该反应为气体系数之和增大的反应，S0，D 符合题意；综上所述答案为 D。四自由能与化学反应的方向1自由能变化符号为 G，单位为 kJmol1。2自由能变化与焓变、熵变的关系GHTS。G 不仅与焓变、熵变有关，还与温度有关。3反应方向与自由能的关系HSHTS反应情况00永远是负值在任何温度下过程均自发进行00永远是正值在任何温度下过程均非自发进行00低温为正低温时非自发高温为负高温时自发低温为负低温时自发00高温为正高温时非自发【典例 4】已知“凡气体分子总数增大的反应一定是熵增加的反应”。下列反应一定能自发进行的是A2O3(g)=3O2(g)H0CN2(g)+3H2(g)2NH3(g)H0【答案】A【解析】A该反应 H0，任何温度下都自发，故 A 正确；B该反应 H0，S0，任何温度都不自发，故 B 错误；C该反应 H0，S0，S0，高温自发，故 D 错误；故选：A。【知识进阶】1焓判据：放热过程中体系能量降低，H0)的方向转变的倾向。3复合判据(1)判据(2)温度对反应方向的影响【效果检测】1“冰，水为之，而寒于水”关于水凝结成冰的过程的描述正确的是AH0，S0BH0，S0CH0DH0，S0【答案】D【解析】水凝结成冰的过程为放热的气体分子数减小的过程，焓变小于零、熵变小于零；故选 D。2以下说法中正确的是A所有H0，S0 则一定不能自发进行C物质的量增加的反应，S 为正值DH2、I2、HI 平衡混合气加压后颜色变深，能用勒夏特列原理解释【答案】B【解析】AG=H-TS0 的反应可自发进行，放热反应不一定为自发进行的反应，与焓变和熵变有关，A 错误；BG=H-TS0，S0，反应一定不能自发进行，B 正确；C对于有气体参加的反应，气体体积增大的反应，S 为正值，不能简单分析物质的量增加，需排除固体和液体的化学计量数，C 错误；DH2、I2、HI 平衡混合气加压后颜色变深，与浓度增大有关，平衡不移动，则不能用勒夏特列原理解释，D 错误；答案选 B。4下列说法错误的是A一定温度下，反应 MgCl2(l)Mg(l)+Cl2(g)的H0，S0BH0，S0 的反应在温度低时不能自发进行C反应 NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)在室温下可自发进行，则该反应的H0DNH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)H=+185.57kJ/mol 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【答案】B【解析】A根据反应方程式物态变化，S0，G=H-TS，当反应温度较高时，即使 H0，G 也可能小于0，该反应能正向进行 G0，说明熵焓判据可以是选项描述数据，不符题意；BG=H-TS，H0，S0 的反应 G 恒小于 0，说明任何温度下该反应均能自发进行，描述错误，符合题意；C根据物质物态变化，该反应正反应方向 S0，室温下能自发进行，说明 G0，根据 G=H-TS，可知只有H0 时才有可能实现 T 较小时 G0，描述正确，不符题意；D根据反应物态变化可知反应正向S0，当 T 值较大时可推得该反应可以出现 G0，说明在较高温度时可以实现体系自发向混乱度增加的方向转变，描述正确，不符题意；综上，本题选 B。5下列说法正确的是A吸热反应不可以自发进行B同种物质固态时，熵值最大C能够自发进行的反应一定是熵增的过程D铁在潮湿的空气中生锈的过程是自发的【答案】D【解析】A吸热反应有时也可以自发进行，如 NH4Cl 和 Ba(OH)28H2O 的反应是吸热反应，在常温下能够自发进行，A 错误；B同种物质的熵值大小：气态液态固态，因此同种物质固态时，熵值最小，气态时熵值最大，B 错误；C反应自发进行的条件是H-TS0，反应能否自发进行与焓变、熵变和反应温度有关，能够自发进行的反应不一定是熵增的过程，只有满足H-TS0 的过程才是自发的，C 错误；D铁在潮湿空气中生锈，发生的是钢铁的吸氧腐蚀，是自发进行的放热反应，D 正确；故合理选项是 D。6化学反应的方向问题对于理论研究与生产实践都有及其重要的意义，下列有关化学反应方向的判断不正确的是AH0，S0 的反应在温度低时不能自发进行B某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应CNa 与 H2O 的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行D2NO(g)2CO(g)=N2(g)2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的 H0【答案】A【解析】AH0、S0 的反应在任何温度下都满足H-TS0，即任何温度下该反应均能自发进行，故 A错误；B吸热反应的H0，H-TS0 的反应可自发进行，则该反应是熵增反应，故 B 正确；CNa 与 H2O 的反应是熵增的放热反应，则H-TS0，反应可自发进行，故 C 正确；D2NO(g)2CO(g)=N2(g)2CO2(g)中S0，常温下能自发进行，则H-TS0，则该反应的H0，故 D正确；故选：A。7下列反应在任何温度下都不能自发进行的是A322O(g)=3O(g)H0C223N(g)+3H(g)=2NH(g)H0【答案】D【解析】H-TS0，可发生自发反应，据此分析解题。A2O3(g)=3O2(g)H0，任何温度下均有 H-TS0，S0，较高温度时，H-TS0，即高温时能自发进行，B 正确；CN2(g)+3H2(g)=2NH3(g)H0，S0，较低温度时，H-TS0，S0，即任何温度下均不能自发进行，D 错误；答案选 D。8将 amol X g和 bmol Y g通入密闭容器中发生反应 aX gbY gcZ g+，通过实验得到不同条件下达到平衡时 Z 的物质的量分数与温度和压强的关系如图。下列关于该反应的HSDD、的判断正确的是 AH0,S0DD BH0,S0DD D D0,0HSD【答案】B【解析】由图可知，压强相同时升高温度，Z 的物质的量分数减小，可知升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应，即0HD；温度相同时增大压强，Z 的物质的量分数增大，可知增大压强使平衡正向移动，正反应为气体总物质的量减小的反应，可知0SD，答案选 B。9在相同的温度和压强下，下列关于物质熵的大小排序正确的是A3323431mol C CH1mol CHCHCHB 3842mol C Hg1mol CHgC 242241mol Na SO10H O s1mol Na SOsD 221mol H O1mol H O sl【答案】A【解析】A同分异构体中，支链越多，熵越小，3323431mol C CH1mol CHCHCH，故 B 错误；C硫酸钠晶体含有结晶水，相对分子质量大，所以 242241mol Na SO10H O s1mol Na SOs，故 C 错误；D相同物质的量的物质，S(g)S(l)S(s)，所以 221mol H O1mol HslO，故 D 错误；选 A。10下列过程是吸热，同时体系的混乱度增大的是AFe(s)Fe(g)BC(g)O2(g)=CO2(g)CCaO(s)CO2(g)=CaCO3(s)DNaOH(s)=Na(aq)OH-(aq)【答案】A【解析】A同种物质的熵值气体液体固体，Fe（s）Fe（g），物质由固体到气体变化，需要吸收热量，体现混乱度增大，属于熵增大的过程，A 项正确；BC(g)O2(g)=CO2(g)，该反应为化合反应，形成化学键的过程要放出热量，反应前后气体的体积减小，为熵减小的过程，体系混乱程度减小，B 项错误；CCaO(s)CO2(g)=CaCO3(s)，该反应为化合反应，是一个放热反应，C 项错误；D氢氧化钠固体溶解属于放热过程，第一步电离过程为吸热过程，第二步形成水合离子的过程为放热，由于第二步放出的热量更多，所以氢氧化钠溶于水的过程为放热过程，形成离子的过程混乱度增大，属于熵增大的过程，D 项错误；故答案选：A。11关于化学反应进行的方向叙述正确的是AH0时，反应自发进行，如金属钠和水的反应B凡是放热反应都是自发的，吸热反应都是非自发的C自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减小D过程的自发性不仅能用于判断过程的方向，还能确定过程是否一定能迅速发生【答案】A【解析】A金属钠和水的反应放热、熵增大，H0，H-T S【答案】B【解析】A熵是衡量体系混乱度的物理量，粒子无规则排列程度越大，混乱度越大，熵越大，A 正确；B反应倾向于向熵增方向进行，只要满足吉布斯自由能小于零，如放热反应，熵减也可能满足吉布斯自由能小于零，反应自发进行，B 错误；C反应倾向于向熵增方向进行，故绝热状态下体系会自发趋向混乱度增大方向进行，C 正确；D相同状况下的不同分子原子数越多越乱，乙烷中原子数多，混乱度大，熵大，D 正确；故选 B。13下列说法正确的是A恒温恒压下，H0的反应一定不能自发进行B非自发的反应一定可以通过改变条件使其成为自发反应C相同物质的量的同种物质气态时熵值最小，固态时熵值最大D反应 34NHgHCl gNH Cl s+=在室温下可自发进行，则该反应的H0【答案】D【解析】A恒温恒压下，0S的反应在任何条件下均有0HTS-，则0S的反应一定能自发进行，A 项错误；B非自发的反应0HTS-，改变条件，不会改变结果，则通过改变条件不能使其成为自发反应，B 项错误；C同一种物质的熵：气态液态固态，即相同物质的量的同种物质气态时熵值最大，固态时熵值最小，C 项错误；D反应 34NHgHCl gNH Cl s+=的0S，在室温下可自发进行，则0HTS-，即该反应的0H，D 项正确；答案选 D。14下列有关化学反应方向及判据的说法中不正确的是AH0 的反应在任何温度下都能自发进行BNH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)H=+185.57kJmol-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焓变和熵变都与反应的自发性有关，但焓变或熵变不可以单独作为反应自发性的判据D自发反应就是能较快进行的反应，非自发反应就是无法进行的反应【答案】D【解析】AH0、S0，则 H-TS0，在任何温度下反应都能自发进行，故 A 正确；B该反应的 H0，S0 才可能自发进行，因此 NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)H=+185.57kJmol-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，故 B 正确；C焓变和熵变都与反应的自发性有关，但焓变或熵变不可以单独作为反应自发性的判据，应综合焓变和熵变判断反应的自发性，故 C 正确；D反应能否自发进行与反应的速率大小无关，有些反应能自发进行，但反应速率很小，如金属的腐蚀，非自发反应在一定条件下可进行，故 D 错误；故答案选 D。15相关规律(1)H_0，S_0 的反应，任何温度下都能自发进行。(2)H_0，S_0 的反应任何温度下都不能自发进行。(3)H 和 S 的作用相反，且相差不大时，_对反应的方向起决定性作用。当 H0，S0，S0 时，_下反应能自发进行。(4)当反应的焓变和熵变的影响相反时，且大小相差悬殊时，某一因素可能占主导地位。常温下的放热反应，_对反应方向起决定性作用。常温下的吸热反应，_对反应方向起决定性作用。【答案】(1)(2)0”或“0”填入表格。化学反应正向是否自发HS常温 Zn(s)2HCl(aq)=ZnCl2(aq)H2(g)_常温 6CO2(g)6H2O(l)=C6H12O6(s)6O2(g)_00常温 NH3(g)HCl(g)=NH4Cl(s)_常温 C(s)CO2(g)=2CO(g)_【答案】自发 0 0 非自发 自发 0 0 非自发 0 0【解析】反应 Zn(s)2HCl(aq)=ZnCl2(aq)H2(g)为放热反应,且有气体生成，H0，在常温下 H-TS0，则该反应在常温下正向自发进行，故答案为：自发；0；由表可知，反应 6CO2(g)6H2O(l)=C6H12O6(s)6O2(g)的 H0，S0，则该反应在常温下正向非自发进行，故答案为：非自发；反应 NH3(g)HCl(g)=NH4Cl(s)为放热反应,且气体反应生成固体，H0，S0，在常温下 H-TS0，则该反应在常温下正向自发进行，故答案为：自发；0；0，S0，在常温下 H-TS0，则该反应在常温下正向非自发进行，故答案为：非自发；0；0。16节能减排是指节约物质资源和能量资源，减少废弃物和环境有害物的排放。(1)实现“节能减排”和“低碳经济”的项重要课题就是如何将2CO转化为可利用的资源。目前工业上有一种方法是用2CO来生产燃料甲醇，一定条件下发生反应：22CO(g)3H(g)+32CH OH(g)H O(g)+，如图所示为该反应过程中的能量1kJ mol-变化：下列关于该反应的说法正确的是_(填序号)。A0HD，0SD B0HD，0SDC0HD，0SD D0HD(2)将煤加工成水煤气可降低污染并提高燃料的利用率。将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气，反应方程式为22C(s)+H O(g)=H(g)+CO(g)，该反应的1131.3 kJ molH-D=+，SD=11133.7 J molK-+。该反应在常温下_(填“能”或“不能”)自发进行。【答案】C 不能【解析】(1)由图象可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，反应放热，H0；该反应为反应前后气体分子数减小的反应，则S0，所以该反应在常温下不能自发进行。