高中化学《化学反应的方向和限度》学案2苏教版选修4

1、化学反应的方向及判据1.反应焰变与反应方向（1）多数能自发进行的化学反应是放热反应。如氢氧化亚铁的水溶液在空气中被氧化 为氢氧化铁的反应是自发的，其4H （298K） =-444.3kJ - mol 1（2）部分吸热反应也能自发进行。如 NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CH3COONH4（aq）+CO2（g）+H2O（l）, JtAH （298K）= +37.30kJ , mol L（3）有一些吸热反应在常温下不能自发进行，在较高温度下则能自发进行。如碳酸钙 的分解。因此，反应熔变不是决定反应能否自发进行的唯一依据。2.反应婚变与反应方向（1）描述大量粒子混乱度的物理量，符号为S

2、,单位J-mol 1 -K >,燧值越大， 体系的混乱度越大。（2）化学反应的炳变（AS）：反应产物的总燧与反应物总烯之差。 （3）反应烯变与反应方向的关系多数端增加的反应在常温常压下均可自发进行。产生气体的反应、气体物质的量增加 的反应，燧变都是正值，为炳增加反应。有些嫡增加的反应在常温下不能自发进行，但在较高温度下则可自发进行。如碳酸钙 的分解。个别嫡减少的反应，在一定条件下也可自发进行。如铝热反应的$= 133.8 J -mol '- K在点燃的条件下即可自发进行。4.熔变和婚变对反应方向的共同影响一一“四象限法”判断化学反应的方向。在二维平而内建立坐标系，第I象限的符号为

3、“ +、+”，第II象限的符号为“ 十、一 ”, 第IH象限的符号为“一、一”，第N象限的符号为“一、+”。借肋于数学坐标系四个象限的 符号，联系燧变与燧变对反应方向的共同影响，可以从热力学的角度快速判断化学反应的方 向。在温度、压强一定的条件下，化学反应的方向的判据为：H-TAS<0反应能自发进行H-TAS=O反应达到平衡状态H-TAS>0反应不能自发进行反应放热和燧增加都有利于反应自发进行。该判据指出的是化学反应自发进行的趋势。yII I+、一 +、+s>oH<0 所有温度下均 可自发进行S<0S>0H>0 高温下反应自 发进行 S<0典型例

4、题1 .第【象限符号为“ +、+w(AS>0, AH>0)时化学反应的方向高温下反应自 发进行【例I】石灰石的分解反应为：CaCO3(s)=CaO(s) +CO2(g)其AH (298K) =178.2kJ mol AS (298K) =169.6J - mol > K 1 试根据以上数据判断该反应在常温下是否自发进行？其分解温度是多少？ 【解析】VAHTAS = 178.2kJ mol ' 2 9 8 K X10X 3X 169.6kJ - mol 1 K 1 = 128kJ mol ,>0298K时，反应不能自发进行。即常温下该反应不能自发进行。由于该反应是

5、吸热的燧增加反应，升高温度可使HT $<(),假设反应焰变和婚变 不随温度变化而变化，据HT4SVO可知，T>AH/AS =178.2kJ mol '/10X 3X 169.6kJ - mol 1 - K '=1051K,即温度高于7 7 8 c时反应可自发进行。2 .第II象限符号为“ +、-"(AS>0, AH<0)时化学反应的方向所有温度下反 应均能自发进行【例2】已知双氧水、水在2 9 8 K、1 0 0 kPa时的标准摩尔生成焰的数据如下： 物 质 tH /kJ - mol 1H2O(1)2 58.8H2O2(1191.2) 02(g

6、)0(1)试由以上数据计算双氧水发生分解反应的热效应。(2 )若双氧水发生分解反应生成液态水和氧气时，其S=57.16Jmol 1 - K 1 试判断该反应在常温下能否自发进行。若温度达到2 0 0 0 K时，反应能否自发进行。【解析】(1 )根据H=H (产物)H (反应物)得，X (2 5 8.8 kJ - mol l) +02X (1 9 1 .2kJ mol 1) = 1 3 5.2 kJ mol 1 o(2)在 2 9 8 K时，AHlAS= 3 5.2 kJ-mol ,-(298KX10 3X57.16kJ -mol 1 K !)= 152.23 kJ mol *<0该反应在

7、常温下可自发进行。温度达到2 0 0 0 K,且假定焙变和燧变不随温度变化而变化，!1T4S=-1 3 5 . 2 kJ mol 一( 2 0 0 0 KX 10 3X57.16kJ mol 1 - K 1)= 2 4 9.5 2 kJ mol 1 <0故$>()、!<()时，仅从符号上进行分析，无论温度如何变化，恒有H-TZSV 0,故化学反应的方向一一所有温度下反应均能自发进行。3 .第IH象限符号为“一、一"($<()、AH<0)时化学反应的方向低温下反应可 以自发进行【例3】常温下氢氧化亚铁与空气中的氧气及水有可能发生反应，即：4Fe(OH)2(

8、s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s),己知该反应在 2 9 8 K 时的!= 444.3 kJ mol 1, AS= 2 8 0 .1 J mol 1 - K 1试问该反应在常温下是否自发进行？【解析】根据TZkS = -444.3kJmol2 9 8 KX 10-3X (2 8 0 .1 kJ - mol 1 - K1) = 360.83 kJ mol 1 <0,故2 9 8 K时反应可自发进行。由于焰变和燧变的作用相反，且二者相差悬殊，熔变对反应的方向起决定性作用，故反 应可自发进行。假定温度达到 2 0 0 0 K,则!TZkS=444.3 kJ mol 

9、9; _2 0 0 0 K X 10 3X (2 8 0 .1 kJ mol 1 K !) = 1 1 5 .9 kJ mol 1 >0,反应不能自发行。即高温卜反应 不能自发进行。4 .第IV象限符号为“一、+”(ZkSVO、H>0)时化学反应的方向所有温度下反 应均不能自发进行例 4 C O(g)=C (s,石墨)+ 1/2 0 2 (g), JtAH= 1 1 0.5 kJ* mol !AS= 8 9.3 6J-mol 1 - K试判断该反应在2 9 8 K和2 0 0 0 K时反应是否自发进行？【解析】2 9 8 K 时,!TZkS= 1 1 0.5 kJ -mol 

10、9; 2 9 8 KX10 3X(8 9.3 6 kJ -mol1 K ,)=137.13kJ - mol 1 >0,故2 9 8 K时反应不能自发进行°2 0 0 0 K 时,ZHT2XS= 1 1 0 .5 kJ mol l 2 0 0 0 K X 10 3X (8 9.3 6 kJ mol 1 K !)=2 8 9.2 2 kJ mol 1 >0,故 2 0 0 0 K时，反应也不能自发进行。事实上，SVO、AH>0时，仅从符号上进行分析，无论温度如何变化，恒有AHTAS>0 ,故化学反应的方向一一所有温度下反应均不能自发进行。从以上四个象限的情况来看，

11、交叉象限的情况相反相成，第I象限（高温下反应自发进 行）和第IH象限（低温下反应自发进行）相反相成，第I【象限（所有温度下均可自发进行） 和第IV象限（所有温度下反应均不能自发进行）相反相成。分析化学反应的方向的热力学判 据是AHI7XSV0,而这个判据是温度、压强一定的条件下反应自发进行的趋势，并不能 说明反应能否手际发生,因为反应能否实际发生还涉及动力学问题。基础过关化学反应的限度L可逆反应：在相同条件下同时向正、反两个方向进行的反应称为可逆反应.在可逆反 应中使用二2,化学平衡（状态）:（1）概念：在一定条件下可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等,反应物和生成物的浓度不再

12、发生变化，这种状态称为化学平衡状态，简称化学平衡。（2）特征:逆：化学平衡研究的对象是可逆反应。等：V （正）=V （逆）W0动：化学平衡是动态平衡。虽然V （正）=V （逆），但正、逆反应仍在进行。定：反应物和生成物的浓度保持一定。变：外界条件改变，平衡也随之改变。3 .化学平衡常数：（1）概念：对于一定条件下的可逆反应（aA+bB OcC+dD）,达到化学平衡时，生成物浓度的乘寤的乘积与反应物浓度的乘嘉的乘积之比为一常数，记作K,称为化学平衡常数（浓度平衡常数）。（2）数学表达式:WDdAaBb如果反应物和生成物均为气体，匕法利伊学平衡时，将由各物质平衡分压算得的平衡常数称为压强平衡常数。

13、即Kp=p")pd(D)J(A)pb(B)浓度平衡常数和压强平衡常数均称为化学平衡常数。（3）意义：平衡常数的大小化学反应可能进行的程度（即反应限度）；平衡常数的数值越大，说明反应进行得越完全。(4)影响因素：只与温度有关，而与浓度无关。4 .平衡转化率：对于可逆反应aA+bB OcC+dD,反应物A的平衡转化率可以表示为: a (A) = (Co(A)- A) /Co(A)XlOO%5 .反应条件对化学平衡的影响(1)化学平衡移动：一定条件下的可逆反应达到平衡状态以后，反应条件改变，平衡混 合物中各组分的浓度也随之发生改变而达到新的平衡状态，这种由一个平衡达到新的平衡的 过程称为化

14、学平衡移动。(2)反应条件对化学平衡的影响改变温度：升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动。降低温度，化学平衡向放热反应方向移动。改变浓度：若QcVK,化学平衡正向(向右)移动。若。化学平衡逆向(向左)移动。改变压强：若。p<Kp,化学平衡正向(向右)移动。若。p>Kp,化学平衡逆向(向左)移动。(3)勒夏特列原理：在封闭体系中，如果只改变平衡体系中的一个条件时，平衡将向 减弱这个条件改变的方向移动。典型例题【例1】(2010天津卷，10)(14分)二甲健是一种重要的清洁燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作 用。工业上可利用煤的气化产物(水煤气)合成二甲醛。请回答下列问题

15、：煤的气化的主要化学反应方程式为：。煤的气化过程中产生的有害气体H2s用Na2c03溶液吸收，生成两种酸式盐，该反应 的化学方程式为：、利用水煤气合成二甲醛的三步反应如下： 2H2(g) + CO(g) CHsOH(g)； AH = -90.8 kJ-mol1 2cH30H(g)CH3OCH3(g) + H2O(g)： AH= -23.5 kJ-mol 1(3) CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g): AH= -41.3 kJ-mol 1总反应：3H2(g) + 3CO(g) = CH30cH3(g) + CO2 (g)的 AH= ；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡

16、，要提高co的转化率，可以采取的措施是(填字母代号)。a.高温高压b.加入催化剂 c.减少C02的浓度d.增加CO的浓度 e.分离出二甲健 已知反应2cH30H(g) = CH30cH3(g) + H2O(g)某温度下的平衡常数为400 0 此温度下，在密闭容器中加入CH30H ，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：物质CH3OHCH3OCH3H2O浓度/ (mol.L)0.440.60.6比较此时正、逆反应速率的大小：v正 it (填"V”或“=”)。 若加入CH30H后，经10 min反应达到平衡，此时c(CH30H) = ：该时间内反应速率MCH3OH) = °解析：(

17、1)煤生成水煤气的反应为C+H2O 工 CO+H2o既然生成两种酸式盐，应是NaHCCh和NaHS,故方程式为： Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS .(3)观察目标方程式，应是x2+，故/"=2/"i+n"2+n3=-246.4kJ- molL正反应是放热反应，升高温度平衡左移，CO转化率减小：加入催化剂，平衡不移动，转化 率不变；减少CO?的浓度、分离出二甲醛，平衡右移，CO转化率增大：增大CO浓度，平 衡右移，但CO转化率降低；故选c、e»(4)此时的浓度商止一。6")6 =.86V400,反应未达到平衡状态，向正反应方向移动，

18、故 0.44x0.44u正 D逆：设平衡时生成物的浓度为0.6日,则甲醇的浓度为(0.44-2x)W：400=(0.6 + "二, (0.44-2x)2解得 x=0.2 mol L”,故 0.44 molL L2r=0.04 molL"。由表可知,甲醇的起始浓度度为(0.44+1.2) mol.L=L64 mol L1,其平衡浓度为0.04 mol LL lOmin变化的浓度为16 moi,LL 故由(CH3OH)=(M6molL/min，答案：(DC+HzO上旦CO+Hz。(2) Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS(3) -246.4U- mol-1 c、e(4

19、)(2)0.04 moI Ld 0.16 mol-L1 min-1命题立意：本题是化学反应原理的综合性试题，考查了化学方程式的书写、盖斯定律的应用、 化学平衡移动原理，和利用浓度商和平衡常数的关系判断平衡移动的方向、平衡常数和速率 的计算等。【例2】(2010四川理综卷，13)反应 aM(g)+bN(g)cP(g)+dQ(g)达到平衡时的体积分数y（M）与反应条件的关系如图所示。其中：Z表示反应开始时N的物质的量与M的物 质的量之比。下列说法正确的是A.同温同压Z时，加入催化剂，平衡时Q的体积分数增加B.同压同Z时，升高温度，平衡时Q的体枳分数增加C.同温同Z时，增加压强，平衡时Q的体积分数增

20、加 D.同温同压时，增加Z,平衡时Q的体积分数增加。 答案：B解析：本题考查了平衡移动原理的应用。A项加入催化剂只能改变反应速率，不会使平衡移 动。B项由图像（1）知随着温度的升高M的体枳分数降低，说明正反应吸热，所以温度升 高平衡正向移动，Q的体积分数增加。C项对比（1） （2）可以看出相同温度条件，压强增 大M的体枳分数增大，所以正反应是体积缩小的反应，增大压强Q的体积分数减小。D项 由C项可以判断D也不对。【巩固练习1 "福建省泉州一中2010届高三上学期期中考试）在1 L密闭容器中，把1 mol A 和1 mol B混合发生如下反应：3A（g）+B（g-=rC（g）+2D（g

21、）,当反应达到平衡时，生成0.4 mol D,并测得C的平衡浓 度为0.4 mol-L-1,下列叙述中不正确的是 A. x的值为2B. A的转化率为40%C. B的平衡浓度为0.8 molL -D. D的体积分数为20%答案B【巩同练习2】（贵州省巴结中学2010届高三10月月考）某体积可变的密闭容器，盛有适 量的A和B的混合气体，在一定条件下发生反应：，若维持温度和乐强不变，当达到平衡时，容器的体积为VL,其中C气体的体枳占10%,下列 推断正确（）原混合气体体积为1. 2VL：原混合气体的体积为1. 1VL：反应达平衡时气体A消耗0. 05VL：反应达平衡时气体B消耗掉0. 05VL。A.

22、 B. ®® C. D.答案A【巩固练习3】（重庆西南师大附中2010年上学期期末考试）rc时，A气体与B气体反应 生成C气体。反应过程中A、B、C物质的量变化如图（I ）所示；若保持其他条件不变， 温度分别为r和八时，B的体积分数与时间的关系如图（II）所示，则下列结论正确的是物质的量（mol）0.90.60.40.30间A.在(n+l) min时，保持其他条件不变，增大压强，平衡向逆反应方向移动B.在(/1+1) min时，保持容器总压强不变，通入稀有气体，平衡向正反应方向移动 C.不再增减物质，只改变压强或温度时,A的体积分数V(a)%变化范围为25%<V<

23、;a,%<40% D.其他条件不变，升高温度，正、逆反应速率均增大，且A的转化率增大答案C基础过关反应速率与限度理论在化工生产上的应用L合成缄的反应原理：N2 (g) +3H2 (g尸2NH3 (g) 298K.时，AH=92.2kJ - mol 1 特点：合成氨是一个气体体枳缩小的放热的可逆反应。2.合成氨适宜条件的选择(1)选择依据：从提高反应速率的角度分析，提高反应温度、使用催化剂、适当提高 氮氢比；从平衡移动的角度分析，降低温度、提高压强和适时分离反应产物纵：从实际生产 的角度分析，温度和乐强要与生产实际相适应。(2)选择原则：能加快反应速率：提高原料的利用率；提高单位时间内的产

24、量：对设 备条件要求不能太高。(3)合成氨的适宜条件：使用催化剂：适宜的压强：2X10?5X10?Pa：适宜的温度: 500c左右：及时分离出氨和及时补充氮气和氢气。(4)合成氨的简要流程：氮气、氢气的循环使用【例1】(2010安徽卷)低脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为:2NH2 (g) +NO (g) 4-NH2 (g)j器一立外(g) +3H2O (g) AH<0I t J在恒容的密闭容器中，下列有关说法正确的是A.平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大B.平衡时，其他条件不变，增加N%的浓度，废气中氮氧化物的转化率减小C.单位时间内消耗NO和N2

25、的物质的量比为1 ： 2时，反应达到平衡D.其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的转化率增大答案：C解析：A选项，放热反应升温平衡常数减小，错误；增大一个反应物浓度另一反应物转化率 增大，B错；使用催化剂平衡不移动，D错。【例2】（2010重庆卷）（15分）某兴趣小组用题27图装置探究氨的催化氧化.晒27图（1）氨催化氧化的化学方程式为.（2）加热玻璃管2一段时间后，挤压1中打气球鼓入空气，观察到2中物质呈红热状态； 停止加热后仍能保持红热，该反应是反应（填“吸热”或“放热（3）为保证在装置4中观察到红棕色气体，装置3应装入:若取消3,在4中仅 观察到大量白烟，原因是.（4）为实现皴催

26、化氧化，也可用装置5替换装置 （填装置代号）：化合物X为 （只写一种），Nag?的作用是.答案（15分） 催化剂（1） 4NH3+5O2=Z=4NO+6H2O（2）放热（3）浓H2s。4；生成的NO与O?反应生成NO2.NO?与水反应生成HNO3, NH,与HNCh反 NH4NO3 应生成了（4）1; NH4cL2与HCL反应生成氧气（合理答案均给分）【解析】本题考查纨的催化氧化。（1）NH,和0,氧化生成NO。（2）该反应为放热，故不加热后仍能保持红热状态。（3）产物中有NO和NH, NO会被O,氧化生成NO,在于 。 一空气中的水蒸气反应生成NHC）3,而NHO3与NH,会产生白烟“ （4

27、）装置5与1均产生科产生NHNH4cL加热分解可得NH3和HCL,而HCL与NaQ,可生成0,。【例3】(2008广东24)科学家一直致力于研究常温、常压下“人工固氮”的新方法。曾有 实验报道：在常温、常压、光照条件下，2在催化剂(掺有少量Fe的TiO；)表面与水 发生反应，生成的主要产物为NH,。进一步研究出生成量与温度的关系，部分实验数据见下表(光照、Nt压力1.0X10' Pa、反应时间3h):30313235T/K3333ml生成量/(i(r4.5.6.2.mol)8900相应的热化学方程式如下：3H力=2限(g) +白(g)A H=+765. 2 kJ - mol-1回答下列问题：(1)请画出上述反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图， 并进