化学反应的方向

1 化学反应的方向

一、化学反应的方向

1．化学反应具有方向性，许多化学反应的正反应能自发进行，而其逆反应无法自发进行。

2．自发反应：在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应。

二、判断化学反应方向的依据

1．能量判据：自然界中的自发过程，都有由能量较高状态向能量较低状态转化的倾向；绝大多数放热反应都能自发进行，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。

反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一。

2．熵判据：

（1）熵：用来度量体系混乱程度的物理量。熵值越大，混乱程度越大。符号为S。单位：J·mol－1·K－1。

（2）熵值大小的比较：同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)＞S(l)＞S(s)。

（3）熵变：反应前后体系熵的变化，符号为ΔS。

若发生变化后体系的混乱度增大，该过程的ΔS＞0，反之，ΔS＜0。

（4）熵变与化学反应自发性关系

ΔS＞0，反应自发进行；ΔS＜0，反应不能进行。化学反应的ΔS越大，越有利于反应自发进行。

3．复合判据

体系能量降低(ΔH＜0)和混乱度增大(ΔS＞0)都有促使反应自发进行的倾向，判断反应的自发性必须综合考虑反应的焓变和熵变。在恒温、恒压时：

（1）当ΔH＜0，ΔS＞0时，反应自发进行。

（2）当ΔH＞0，ΔS＜0时，反应不能自发进行。

（3）当ΔH＜0，ΔS＜0时，反应在较低温度下自发进行。

（4）当ΔH＞0，ΔS＞0时，反应在较高温度下自发进行。

〖巩固及拓展练习〗

1．实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是( )

A．所有的放热反应都是自发进行的

B．所有的自发反应都是放热的

C．焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素

D．焓变是决定反应是否具有自发性的惟一判据

2．下列自发反应可用焓判据来解释的是( )

A．2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g) ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1

B．(NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g) ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1

C．2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l) ΔH＝－286 kJ·mol－1

D．CaCO3(s)＝CaO(s)＋CO2(g) ΔH＝＋178.2 kJ·mol－1

3．碳酸铵(NH4)2CO3在室温下就能自发的分解产生氨气，对其说法正确的是( )

A．碳酸铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大

B．碳酸铵分解是因为外界给予了能量

C．碳酸铵分解是吸热反应，根据能量判据不能自发分解

D．碳酸盐都不稳定，都能自发分解

4．某反应：A＝B＋C在室温下不能自发进行，在高温下能自发进行，对该反应过程ΔH、ΔS的判断正确的是( )

A．ΔH＜0、ΔS＜0 B．ΔH＞0、ΔS＜0 C．ΔH＜0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＞0

5．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．自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减小或不变的反应

C．自发反应在恰当的条件下才能实现

D．自发反应在任何条件下都能实现

6．下列对熵的理解不正确的是( )

A．同种物质气态时熵值最大，固态时熵值最小

B．体系越有序，熵值越小；越混乱，熵值越大

C．与外界隔离的体系，自发过程将导致体系的熵减小

D．25 ℃、1.01×105 Pa时，2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g)是熵增的反应

2 7．在图中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(如图所示)，两种气体分子立即都分布在两个容器中。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．此过程为混乱程度小的向混乱程度大的方向变化的过程，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．此过程从有序到无序，混乱度增大

D．此过程是自发可逆的

8已知在等温条件下，化学反应方向的判据为：

ΔH－TΔS＜0，反应能正向自发进行；

ΔH－TΔS＝0，反应达平衡状态；

ΔH－TΔS＞0，反应能逆向自发进行。

(其中ΔH为焓变，ΔS为熵变，T为热力学温度，单位为K)

设反应A(s)＝D(g)＋E(g) ΔH－TΔS＝(－4 500＋11T)J·mol－1，要防止反应发生，温度必须( )

A．高于409 K B．低于136 K C．高于136 K而且低于409 K D．低于409 K

9．25 ℃和1.01×105 Pa时，反应2N2O5(g)＝4NO2(g)＋O2(g) ΔH＝＋56.7 kJ/mol，自发进行的原因是( )

A．是吸热反应 B．是放热反应

C．是熵减少的反应 D．熵增大效应大于能量效应

10．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，它使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)，在298 K、100 kPa下，ΔH＝－113 kJ·mol－1，ΔS＝－145 J·mol－1·K－1。下列说法中错误的是( )

A．该反应中反应物总能量高于生成物的总能量

B．该反应常温下不能自发进行，因此需要高温和催化剂条件

C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂条件只是加快反应的速率

11．某化学科研小组研究在其他条件不变时，改变某一条件对反应[可用aA(g)＋bB(g)cC(g)表示]化学平衡的影响，得到如图所示图象(图中p表示压强，T表示温度，n表示物质的量，α表示平衡转化率，φ表示体积分数)：

分析图象，回答下列问题：

（1）在图象反应Ⅰ中，若p1＞p2，则此正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应，也是一个气体分子数________(填“减少”或“增大”)的反应，由此判断，此反应自发进行，必须满足的条件是________。

（2）在图象反应Ⅱ中，T1________T2(填“＞”、“＜”或“＝”)，该正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。

（3）在图象反应Ⅲ中，若T1＞T2，则该反应能否自发进行？

12．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“大于”、“小于”或“等于”，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是_____________。

3 答案 (1)放热 减少 低温 (2)＞ 放热 (3)能自发进行

解析 本题涉及图象的分析及化学平衡的移动和反应进行的方向等知识点。反应Ⅰ中恒压下温度升高，α(A)减小，即升高温度平衡向左移动，则正反应为放热反应，ΔH＜0；由p1＞p2知恒定温度时压强越大，α(A)越大，即增大压强平衡向右移动，说明此反应为气体分子数减少的反应(a＋b＞c)，即为熵减反应，ΔS＜0。放热、熵减反应只能在低温下自发进行。反应Ⅱ中T1温度下反应先达到平衡状态，说明T1＞T2；温度越高，平衡时C的物质的量越小，即升高温度平衡

向左移动，则正反应为放热反应，ΔH＜0。反应Ⅲ中在恒温下压强变化对α(A)没有影响，说明压强变化不能影响平衡，此反应为气体分子数不变的反应(a＋b＝c)，反应过程中熵变很小，ΔS≈0，若T1＞T2，恒压下温度越高α(A)越小，说明升高温度平衡向左移动，正反应为放热反应，ΔH＜0，则ΔH－TΔS＜0，反应能自发进行。

答案 (1)小于 大于 (2)小于1 240 K

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＜94.0 kJ·mol－175.8 J·mol－1·K－1×10－3kJ·J－1＝1.24×103 K。

10．在298 K时，下列反应的ΔH依次为：

C2H5OH(l)＋3O2(g)＝2CO2(g)＋3H2O(l) ΔH1＝－1 366.8 kJ·mol－1

C(石墨)＋O2(g)＝CO2(g) ΔH2＝－393.5 kJ·mol－1

H2(g)＋1/2O2(g)＝H2O(l) ΔH3＝－285.8 kJ·mol－1

乙醇(C2H5OH)、氢气、石墨和氧气的熵值分别为：

161．0 J·mol－1K－1、130.6 J·mol－1K－1、5.74 J·mol－1K－1、205.3 J·mol－1K－1，则298 K时，由单质生成1 mol乙醇的ΔH、ΔS及ΔH－TΔS分别为多少？

答案 －277.6 kJ·mol－1 －344.93 J·mol·L－1·K－1 －174.8 kJ·mol－1

解析 ΔH＝2ΔH2＋3ΔH3－ΔH1

＝2×(－393.5 kJ·mol－1)＋3×(－285.8 kJ·mol－1)－(－1 366.8 kJ·mol－1)＝－277.6 kJ·mol－1

ΔS＝161.0 J·mol－1K－1 －3×130.6 J·mol－1K－1 －2×5.74 J·mol－1K－1 －1/2×205.3 J·mol－1K－1

＝－344.93 J/(mol·K)

ΔG＝ΔH－TΔS

＝－277.6 kJ·mol－1－298 K×(－344.93×10－3 kJ·mol－1·K－1)＝－174.8 kJ·mol－1