2017-2018学年高中化学 第二章 化学反应速率和化学平衡 第四节 化学反应进行的方向学案 新人

第二章化学反应速率和化学平衡第四节化学反应进行的方向[目标导航] 1.了解熵变的概念及化学反应的方向与化学反应的焓变和熵变的关系。

2.掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据。

3.能根据定量关系式ΔH－TΔS判断化学反应进行的方向。

一、反应焓变与反应方向1．自发过程(1)含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自动进行的过程。

(2)特点：①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或者释放热量)；②在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向。

(3)自然界中的自发过程：①自然界中的水由高处往低处流；②日常生活中，气温升高，冰雪自动融化；③铁器暴露于潮湿的空气中会生锈。

2．反应焓变与反应方向的关系(1)能自发进行的化学反应多数是ΔH<0的反应。

(2)有些ΔH>0的反应也能自发进行。

结论：反应焓变与反应能否自发进行有关，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。

二、反应熵变与反应方向1．熵(1)概念：衡量体系混乱度的物理量，其符号为S，单位为J· mol－1·K－1。

(2)特点：混乱度越大，体系越无序，体系的熵值就越大。

(3)影响因素①同一物质：S(高温)>S(低温)；S(g)>S(l)>S(s)；②相同条件下的不同物质：分子结构越复杂，熵值越大；③S(混合物)>S(纯净物)。

2．熵变(1)概念：生成物总熵与反应物总熵之差。

(2)计算式：ΔS＝S(生成物)－S(反应物)。

(3)正负判断依据①物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，ΔS>0，是熵增加的过程；②气体体积增大的反应，熵变通常都是ΔS>0，是熵增加的反应；③气体体积减小的反应，熵变通常都是ΔS<0，是熵减小的反应。

3．熵变与反应方向(1)熵增加有利于反应的自发进行。

(2)某些熵减小的反应在一定条件下也能自发进行。

结论：反应熵变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。

三、焓变与熵变对反应方向的共同影响1．反应方向的判据体系自由能变化(符号为ΔG，单位为kJ·mol－1)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于化学反应自发进行方向的判断：ΔG＝ΔH－TΔS。

(1)ΔH－TΔS<0 反应能自发进行。

(2)ΔH－TΔS＝0 反应达到平衡状态。

(3)ΔH－TΔS>0 反应不能自发进行。

2．文字表述在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔH－TΔS<0的方向进行，直至达到平衡状态。

【合作探究】1．ΔH－TΔS判据是否适于任何条件下的反应？答案ΔH－TΔS判据只能用于温度和压强一定的条件下的反应，不能用于其他条件下(如温度、体积一定)的反应。

2．判断下列叙述是否正确。

(1)反应进行的方向与其焓变、熵变有关( )(2)由焓判据可知放热反应容易进行( )(3)由熵判据可知熵值增加的反应是自发反应( )(4)ΔH<0的化学反应都是自发进行的放热反应( )(5)ΔS>0的化学反应都是能自发进行的反应( )(6)用焓判据或熵判据判断同一反应进行的方向其结果相同( )答案(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×3．下列关于焓变和熵变的说法正确的是( )A．化学反应的焓变与反应的方向有关，化学反应的熵变与反应的方向无关B．化学反应的焓变直接决定了化学反应的方向，化学反应的熵变不能决定化学反应的方向C．焓变为负的反应都能自发进行，熵变为正的反应也都能自发进行D．化学反应的焓变和熵变都不是决定化学反应能否自发进行的唯一因素答案 D解析一个反应的ΔH－TΔS<0则是自发的，可看出ΔH和ΔS都对反应有影响，不只是由单方面决定。

4．用“>”或“<”填空：(1)溶解少量蔗糖于水中，ΔS________0。

(2)纯碳和氧气反应生成CO(g)，ΔS________0。

(3)液态水蒸发变成水蒸气，ΔS________0。

(4)CaCO3(s)加热分解生成CaO(s)和CO2(g)，ΔS____0。

答案(1)> (2)> (3)> (4)>解析(1)蔗糖溶于水形成溶液混乱度增大。

(2)反应气体分子数增多是熵增大的过程。

(3)液态水变为气态水，是熵值增大的过程。

(4)反应气体分子数增多是熵增大的过程。

一、化学反应进行方向的判断方法1．利用化学反应原理判断的几种方法(1)相对强酸(碱)生成相对弱酸(碱)。

(2)氧化性强＋还原性强的物质反应向氧化性弱＋还原性弱的物质的转化。

(3)不稳定性物质向稳定性物质的转化。

(4)符合复分解反应条件下的溶液中的反应。

2．用焓变和熵变判断反应的方向判断一定温度、压强条件下反应的方向时，应同时考虑焓变与熵变两个因素，用ΔG＝ΔH －TΔS作为复合判据。

在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔH－TΔS<0的方向进行，直至达到平衡状态；若ΔH－TΔS＝0，表明反应已达到平衡状态；若ΔH－TΔS>0，表明反应不能自发进行。

关键提醒 化学反应进行方向的判断方法32ΔH ＝－78.03 kJ· mol －1③CaCO 3(s)===CaO(s)＋CO 2(g)ΔH ＝＋178.2 kJ· mol －1④4Fe(OH)2(s)＋2H 2O(l)＋O 2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH ＝－444.3 kJ· mol －1⑤CO(g)===C(s ，石墨)＋12O 2(g)ΔH <0，ΔS >0，任意温度下都ΔH >0，ΔS >0，在高温下(T >ΔH ΔS)<ΔH ΔS时，ΔH －T ΔS ，反应不能自发进行；④ΔH <0，S <0，反应能自发进行；⑤ΔH >0，ΔS <0，ΔH －T ΔS变式训练1 以下自发反应可用能量判据来解释的是( )A ．硝酸铵自发地溶于水B ．2N 2O 5(g)===4NO 2(g)＋O 2(g)ΔH ＝56.7 kJ·mol －1C ．(NH 4)2CO 3(s)===NH 4HCO 3(s)＋NH 3(g)ΔH ＝74.9 kJ·mol －1D．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)ΔH＝－285.8 kJ·mol－1答案 D解析硝酸铵自发地溶于水，有趋向于最大混乱度的倾向，属于熵判据；B、C二项都是吸热反应也都是熵增的反应，显然只根据焓变来判断反应进行的方向是不全面的。

二、化学反应的方向与ΔH－TΔS的关系1．若ΔH<0、ΔS>0，即放热的熵增加的反应，所有温度下，反应一定能自发进行；2．若ΔH>0、ΔS<0，即吸热的熵减小的反应，所有温度下，反应一定不能自发进行；3．若ΔH<0、ΔS<0，即放热和熵减小的反应，低温下反应能自发进行；4．若ΔH>0、ΔS>0，即吸热和熵增加的反应，高温下反应能自发进行。

关键提醒1．当焓变和熵变的作用相反且二者大小相差悬殊时，其中的某一因素占主导地位；2．当焓变和熵变的作用相反且二者相差不大时，温度对反应方向起决定作用。

例如：有些反应常温下不能自发进行，在高温下能自发进行；有些反应高温下不能自发进行，在低温下能自发进行。

【例2】已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个反应：①CH4(g)===C(s)＋2H2(g)，②2CH4(g)===C2H2(g)＋3H2(g)。

某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到了如下热力学数据：反应①的ΔH(298 K)＝＋74.848 kJ· mol－1，ΔS(298 K)＝＋80.674 J· mol－1·K－1反应②的ΔH(298 K)＝＋376.426 kJ· mol－1，ΔS(298 K)＝＋220.211 J· mol－1·K－1已知焓变和熵变随温度变化很小。

请帮助这位同学思考如下问题：(1)判断反应②高温自发还是低温自发：________(填“高温”或“低温”)。

(2)通过计算判断反应①在常温下能否自发进行__________________________________ ______________________________________。

(3)求算制取炭黑的允许温度范围__________________________________________________。

(4)为了提高甲烷的碳化程度，你认为下面四个温度中最合适的是________(填字母)。

A．905.2 K B．927 K C．1 273 K D．2 000 K解析(1)反应的ΔH－TΔS<0时才能自发进行，由于反应②的ΔH>0，ΔS>0，所以该反应自发进行所需要的温度条件为T >ΔH ΔS ＝376.426 kJ ·mol －1220.211×10－3kJ ·mol －1·K－1≈1 709.4K 。

所以反应②应在高温下才能自发进行。

(2)反应①在常温下时，ΔH －T ΔS ＝74.848 kJ· mol －1－80.674×10－3 kJ · mol －1·K －1×298 K ≈50.807 kJ · mol －1>0，所以该反应常温下不自发进行。

(3)裂解为炭黑和H 2时，ΔH －T ΔS ＝74.848 kJ· mol －1－80.674×10－3 kJ · mol －1·K －1×T <0，得T >927.8 K ，即裂解为炭黑的最低温度为927.8 K 。

裂解为乙炔时，ΔH －T ΔS ＝376.426 kJ · mol －1－220.211×10－3 kJ· mol －1·K －1×T <0，得T >1 709.4 K ，即温度高于1 709.4 K 自发裂解为乙炔和氢气。

所以要制取炭黑，温度须控制在927.8～1 709.4 K 。

(4)为了提高甲烷的碳化程度，应满足两方面要求：①温度应控制在927.8～1 709.4 K ；②温度越高，ΔH －T ΔS 越小，越有利于自发进行。

所以选用1 273 K 最好。

答案 (1)高温 (2)不能自发进行 (3)927.8～1 709.4 K(4)C变式训练2 下列说法正确的是( )A ．在常温下，放热反应一般能自发进行，吸热反应都不能自发进行B ．NH 4HCO 3(s)===NH 3(g)＋H 2O(g)＋CO 2(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倾向C ．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变和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答案 B解析 A 项错误，有些能使熵值增大的吸热反应可以自发进行；C 项错误，应利用复合判据进行判断；D 项中使用催化剂只能降低反应的活化能，增大反应速率，不能改变反应的方向。