高中化学人教版基础课时12化学反应的方向

基础课时12化学反应的方向学习目标1.了解自发过程和自发反应的主要特点，了解焓判据、熵判据的含义。2.会用焓变和熵变判断反应进行的方向。化学反应的方向(一)知识梳理1.自发过程和自发反应(1)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)有些化学反应也是自发进行的，而且有方向性。2.化学反应自发性与反应焓变的关系(1)多数放热反应是自发进行的，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)有些吸热反应也可以自发进行，如：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ·mol－1。(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。3.熵变与反应的方向(1)熵和熵变(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，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)。(3)熵判据：体系有自发地向混乱度增加(即熵增，ΔS>0)的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。(4)熵变与化学反应进行方向的关系许多熵增的反应是自发的(多是气体分子数目增多的反应)，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)，所以只用熵判据判断反应是否自发不全面。4.自由能与化学反应的方向(1)自由能：符号为ΔG，单位为kJ/mol。(2)自由能变化与焓变、熵变的关系：ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不仅与焓变和熵变有关，还与温度有关。(3)反应方向与自由能的关系化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡。当ΔG<0时，反应自发进行；当ΔG>0时，反应不能自发进行。(二)问题探究问题1下列判断不正确的有哪些？分别说明原因。①制备水煤气的反应：C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g)该反应的ΔS<0②已知反应SiCl4(g)＋2H2(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Si(s)＋4HCl(g)在高温条件下能发生，则该反应的ΔS<0，且ΔH>0。③一定温度下，反应2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)能自发进行，则该反应的ΔH<0④反应4Fe(s)＋3O2(g)=2Fe2O3(s)常温下可自发进行，该反应为吸热反应提示①②④制备水煤气的反应是气体物质的量增大的反应，ΔS>0，①错误；工业制备纯硅的反应是气体物质的量增大的反应，ΔS>0，且ΔH>0、ΔS<0时反应不能自发进行，②错误；③中的化学反应是熵减的反应，该反应一定温度下能自发进行，则其ΔH一定小于0，正确；④中的化学反应是熵减的过程，ΔS<0，反应常温下能自发进行，则该反应的ΔH<0，错误。问题2在电子工业中，清洗硅片上的SiO2(s)的反应是SiO2(s)＋4HF(aq)=SiF4(g)＋2H2O(g)ΔH(298.15K)＝－94.0kJ/molΔS(298.15K)＝－75.8J/(mol·K)设ΔH和ΔS不随温度变化，则此反应能自发进行的最高温度大约为多少K?①1.24×106K②1.24×103K③3.36×103K④2.48×103K提示②根据题意，要使反应能自发进行，则ΔG＝ΔH－TΔS<0，即有ΔG＝ΔH－TΔS＝－94.0kJ/mol－T×[－75.8J/(mol·K)×10－3kJ/J]<0，则T<eq\f(94.0kJ/mol,75.8J/（mol·K）×10－3kJ/J)≈1.24×103K。【探究归纳】1.自由能(ΔG)与反应进行的方向体系的自由能变化(ΔG，kJ/mol)不仅与ΔH、ΔS有关，还与温度有关，其表达式为ΔG＝ΔH－TΔS。2.温度对化学反应方向的影响当焓变和熵变的作用相反且相差不大时，温度有可能对反应的方向起决定性的作用，温度与反应方向的关系如图所示：1.(2024·石家庄正定中学高二月考)下列说法正确的是()A.能自发进行的反应一定能迅速发生B.NH4Cl(s)=NH3(g)＋HCl(g)室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0C.NH4HCO3(s)=NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH>0，该反应在高温下能自发进行D.加入合适的催化剂能改变反应的焓变，使非自发反应转化为自发反应答案C解析自发进行的反应需要一定的反应条件才能进行，不一定能实际发生，A错误；该反应是熵值增加的反应，ΔS>0，ΔH－TΔS<0，反应才能自发，由于在室温下不能自发进行，则该反应的ΔH>0，B错误；ΔH－TΔS<0，反应才能自发，NH4HCO3(s)=NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH>0，ΔS>0，该反应在高温下能自发进行，C正确；催化剂通过降低反应活化能加快反应速率，但不能改变反应的焓变，D错误。2.下列内容与结论相对应的是()选项内容结论AH2O(g)变成H2O(l)ΔS＞0B硝酸铵溶于水可自发进行该过程的ΔS＞0C一个反应的ΔH＞0、ΔS＞0反应一定不能自发进行DH2(g)＋F2(g)=2HF(g)的ΔH＝－271kJ·mol－1，ΔS＝8J·mol－1·K－1反应在任意温度下都不能自发进行答案B解析物质由气态变为液态，体系无序程度减小，即ΔS＜0，A项不正确；硝酸铵溶于水是吸热的熵增加过程，ΔS＞0，可自发进行，B项正确；一个反应的ΔH＞0、ΔS＞0，根据二者的共同影响可知，高温时可以使ΔH－TΔS＜0，即高温条件下，反应能自发进行，C项不正确；由ΔH＜0、ΔS＞0知，ΔH－TΔS＜0，故该反应在任意温度下都能自发进行，D项不正确。3.2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)ΔH＝＋90.8kJ·mol－1ΔS＝198.9J·mol－1·K－1，在下列哪些温度下反应能自发进行？________(填标号)。A.25℃ B.125℃C.225℃ D.325℃答案CD解析在等温等压的反应中ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，正反应能自发进行，其中ΔH＝＋90.8kJ·mol－1，ΔS＝198.9J·mol－1·K－1，则T＞eq\f(ΔH,ΔS)＝eq\f(90.8×103J/mol,198.9J·mol－1·K－1)≈456.5K＝183.5℃，选项C、D正确。【题后归纳】利用自由能公式计算反应自发进行的最低温度若题目提供了ΔH和ΔS的数据，可利用ΔG＝ΔH－TΔS<0，来计算反应自发进行的最低温度。计算时要注意以下两点：(1)给出的ΔH的单位通常为kJ/mol，ΔS的单位通常为J/(mol·K)，进行计算时要将二者的单位统一，即将ΔS的单位换算为kJ/(mol·K)或将ΔH的单位换算为J/mol，再代入数值进行计算。(2)温度用绝对温度K，而不能用℃，其中T＝(273＋t)K。A级合格过关练选择题只有1个选项符合题意(一)自发过程的理解1.下列过程属于非自发的是()A.水由高处向低处流B.室温下水结成冰C.气体从高密度处向低密度处扩散D.煤气的燃烧答案B解析B项，室温下冰的融化是自发过程，其逆向室温下水结成冰是非自发的。2.下列反应或过程没有自发性的是()A.高温下，煅烧石灰石B.常温下，水分解成氢气与氧气C.双氧水在MnO2催化作用下分解D.常温下，冰融化为水答案B解析煅烧石灰石的反应是一个熵增焓增的反应，高温下可自发进行，A不符合题意；水分解成氢气与氧气的反应不能自发进行，在外接电源的作用下电解，B项符合题意；双氧水在MnO2催化作用下自发分解，C不符合题意；常温下，冰融化为水为自发过程，D不符合题意。(二)焓变、熵变的判断3.下列诗词中，包含ΔH>0、ΔS>0的化学变化的是()A.日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川B.千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲C.春蚕到死丝方，蜡炬成灰泪始干D.美人首饰侯王印，尽是沙中浪底来答案B解析A项，香炉峰在阳光的照射下生起紫色烟霞，远远望见瀑布似白色绢绸悬挂在山前，由此可见没有发生化学变化；B项，发生反应CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaO＋CO2↑，该反应吸热，气体物质的量增大，ΔH>0、ΔS>0；C项，石蜡燃烧生成二氧化碳和水，石蜡燃烧为放热反应，ΔH<0；D项，黄金是从沙中淘来的，没有发生化学反应。4.下列有关水汽变成雨的过程中焓变和熵变的判断正确的是()A.ΔH<0，ΔS<0 B.ΔH<0，ΔS>0C.ΔH>0，ΔS>0 D.ΔH>0，ΔS<0答案A解析水汽变成雨的过程中放热，ΔH<0，气体变成液体，混乱度减小，ΔS<0。5.关于反应3O2(g)=2O3(g)，反应过程中能量的变化如图所示，下列有关该反应的ΔH、ΔS的说法中正确的是()A.ΔH＜0ΔS＜0 B.ΔH＞0ΔS＜0C.ΔH<0ΔS>0 D.ΔH＞0ΔS＞0答案B解析该反应的反应物能量比生成物能量低，为吸热反应，ΔH＞0，该反应是熵减的反应，ΔS＜0，选B。(三)化学反应方向的判断6.(2024·新乡高二期中)化学反应进行的方向是一个比较复杂的问题。下列有关说法正确的是()A.反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的ΔS>0B.ΔH<0或ΔS>0的反应一定能自发进行C.1molH2O在不同状态时的熵值：S[H2O(g)]<S[H2O(s)]D.ΔS＞0、ΔH>0的反应能否自发进行与温度有关答案D解析该反应为混乱度减小的反应，ΔS<0，A错误；ΔH－TΔS<0的反应可以自发进行，ΔH<0或ΔS>0的反应不一定能自发进行，B错误；物质由固态变为气态，混乱度增大，熵增大，故S[H2O(g)]>S[H2O(s)]，C错误；ΔS＞0、ΔH＞0的反应，反应自发进行时ΔH－TΔS＜0，即该反应在高温下能自发进行、低温时不能自发进行，所以该反应能否自发进行与温度有关，D正确。7.下列对于化学反应方向说法正确的是()A.常温下，反应C(s)＋CO2(g)=2CO(g)不能自发进行，则该反应的ΔH>0B.4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(g)=4Fe(OH)3(s)的ΔH<0，常温常压下能自发进行，对该反应的方向起决定作用的是温度C.反应2Mg(s)＋CO2(g)=C(s)＋2MgO(s)在一定条件下能自发进行，则该反应的ΔH>0D.一定温度下，反应2NaCl(s)=2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH<0，ΔS>0答案B解析反应的ΔS＞0，常温下反应不能自发进行，则ΔH＜0或＞0，A错误；该反应为熵减的反应，ΔH<0，常温常压下能自发进行，故对该反应的方向起决定作用的是温度，B正确；反应的ΔS＜0，由ΔG＝ΔH－T·ΔS＜0时，反应可自发进行可知，ΔH＜0，C错误；反应的ΔS＞0，ΔH＞0，D错误。8.(2024·六安一中高二期中)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()A.步骤一中生成CaCO3的反应为吸热反应B.步骤一中反应的ΔS>0C.步骤一与步骤二中的反应互为可逆反应D.步骤二的反应能否自发进行，与温度有关答案D解析CaO和CO2反应为放热反应，A错误；步骤一中反应为CaO和CO2化合生成CaCO3为熵减的反应，ΔS<0，B错误；步骤一和步骤二的条件不同，所以不互为可逆反应，C错误；步骤二的反应CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaO＋CO2为熵增的吸热反应，若要使ΔG＝ΔH－TΔS<0，则高温有利于自发进行，D正确。9.以下化学反应，反应物是否可以自发转变为反应产物？请予以判断并写出你的判断依据(反应均在298K、100kPa下进行)(1)2C(s)＋O2(g)2CO(g)ΔH＜0________(填“可以”“不可以”或“无法判断”)。判断依据是__________________________________________。(2)Cu2O＋eq\f(1,2)O2(g)=2CuO(s)ΔH＜0________(填“可以”“不可以”或“无法判断”)。判断依据是________________________________________________________________________________________________。答案(1)可以该反应是一个熵增、放热的反应，根据复合判断得出ΔH－TΔS＜0，所以能够自发转变(2)无法判断该反应是一个熵减的放热反应，能否自发需要根据具体温度来判断解析(1)该反应ΔS＞0，ΔH＜0，所以ΔH－TΔS＜0，所以在任何条件下都可以自发进行；(2)该反应ΔS＜0，ΔH＜0，所以ΔH－TΔS大小取决于温度，故无法判断是否能自发进行。B级素养培优练10.在一定条件下，对于反应mA(g)＋nB(g)cC(g)＋dD(g)，C物质的浓度(C%)与温度、压强的关系如图所示，下列判断正确的是()A.ΔH<0ΔS>0 B.ΔH>0ΔS<0C.ΔH>0ΔS>0 D.ΔH<0ΔS<0答案A解析由曲线图可知，增大压强，C%减少，即增大压强平衡向逆反应方向移动，所以逆反应为气体体积减小的反应，即m＋n<c＋d；升高温度C%减少，即升高温度平衡向逆反应方向移动，即正反应为放热反应。11.在图Ⅰ中A、B两容器里，分别收集着两种互不作用的理想气体。若将中间活塞打开，如图Ⅰ，两种气体分子立即都占有了两个容器。这是一个不伴随能量变化的自发过程。关于此过程的下列说法不正确的是()A.此过程是从混乱程度小的状态向混乱程度大的状态变化过程，即熵增大的过程B.此过程为自发过程，而且没有热量的吸收或放出C.此过程是自发可逆的D.此过程从有序到无序，混乱度增大答案C解析气体扩散过程是熵增加的过程，A、D正确；该过程不伴随能量变化，B正确；两种气体混合后，不会再自发地分开，所以逆过程不能自发进行，C不正确。12.根据下列图示所得结论正确的是()A.图甲是I2＋I－Ieq\o\al(－,3)中Ieq\o\al(－,3)的平衡浓度随温度变化的曲线，说明平衡常数K(T1)<K(T2)B.图乙是镁条与盐酸反应的化学反应速率随时间变化的曲线，说明t1时刻溶液的温度最高C.图丙中已知反应：mA(g)nB(g)＋pC(g)ΔH＝akJ·mol－1(c表示A的浓度)，则可推断：T1、T3均未达平衡状态D.图丁中已知反应aA(g)＋bB(g)cC(g)[α(A)表示平衡转化率]；若T1>T2，则该反应能自发进行答案D解析分析图像，温度升高，Ieq\o\al(－,3)的平衡浓度越小，说明平衡逆向移动，正反应是放热反应，则温度高，平衡常数小，则K(T1)>K(T2)，A错误；反应速率受盐酸的浓度、温度、接触面积等多个因素影响，速率最大时，不一定温度最高，B错误；由图可知，反应正向建立平衡，达平衡前A的浓度减小，故T2时反应达到平衡，温度升高，平衡逆向移动，A的浓度增大，故T3时反应处于平衡状态，C错误；根据图可知，增大压强，A的转化率不变，说明反应前后气体计量数之和相等，则a＋b＝c，反应前后熵不变。若T1>T2，升高温度，A的转化率降低，正反应是放热反应，则焓变小于0，所以ΔG＝ΔH－TΔS<0，该反应能自发进行，D正确。13.(2024·天津一中高二期中改编)下列反应及其自由能与温度的关系如下图所示：Ⅰ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH1＝－116kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41kJ·mol－1Ⅲ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH3下列说法错误的是()A.反应Ⅱ在T<427K时，能自发进行B.相同温度下，ΔG(Ⅰ)<ΔG(Ⅱ)的主要原因可能是ΔH1<ΔH2C.ΔH3＝－75kJ·mol－1D.400K时，平衡常数K(Ⅲ)＝K(Ⅰ)－K(Ⅱ)答案D解析根据自发进行判据ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应Ⅱ在T<427K时ΔG<0，能自发进行，A正确；ΔS一般均很小，而反应Ⅰ的ΔS<0，相同温度下ΔG(Ⅰ)<ΔG(Ⅱ)的主要原因可能是ΔH1<ΔH2，B正确；根据盖斯定律，反应Ⅰ－反应Ⅱ可得反应Ⅲ，ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－116kJ/mol＋41kJ/mol＝－75kJ/mol，C正确；反应Ⅰ－反应Ⅱ可得反应Ⅲ，两式相减则平衡常数相除，则平衡常数K(Ⅲ)＝eq\f(K（Ⅰ）,K（Ⅱ）)，D错误。14.室温下，某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等，同时发生以下两个反应：①M＋N=X＋Y；②M＋N=X＋Z。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图所示。(1)0～30min时间段内，Y的平均反应速率为________。(2)其中，反应①的速率可以表示为v1＝k1c2(M)