版高中化学第2章化学反应的方向限度与速率第1节化学反应的方向学案鲁科版选修.docx
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第1节 化学反应的方向
[学习目标定位] 1.了解熵和熵变的概念。
2.理解焓变与反应方向、熵变与反应方向的关系。
3.能综合运用焓变与熵变判断反应进行的方向。
一、反应焓变、熵变与反应方向
1.反应焓变与反应方向
(1)分析下列反应进行的方向与ΔH之间的关系
①NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l),酸碱中和反应是放热反应,ΔH<0,常温下能自发进行。
②2Na(s)+2H2O(l)===2NaOH(aq)+H2(g),该反应是放热反应,ΔH<0,常温下能自发进行。
③NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH>0,该反应在常温下能自发进行。
④CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g) ΔH>0,该反应在常温下不能自发进行,但在较高温度下能自发进行。
(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放热反应,ΔH<0。
②有些吸热反应在室温下能自发进行。
③反应焓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。
2.反应熵变与反应方向的关系
(1)熵的概念
熵是用来描述体系混乱度大小的物理量,其符号为S。
熵值越大,体系的混乱度越大。
(2)影响熵大小的因素
①同一条件下,不同的物质熵值不同。
②同一物质的熵与其聚集状态及外界条件有关,如同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。
(3)反应熵变
①概念:
反应产物总熵和反应物总熵之差称为反应熵变,符号为ΔS。
②正负判断依据
a.气体体积增大的反应,熵变通常都是正值,是熵增加的反应。
b.气体体积减小的反应,熵变通常都是负值,是熵减小的反应。
(4)反应熵变与反应方向
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。
③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。
化学反应方向与焓变、熵变的关系
(1)从焓变(能量)角度:
ΔH<0,有利于反应自发进行。
(2)从熵变角度:
ΔS>0,有利于反应自发进行。
(3)在实际的化学反应中,若ΔH与ΔS符号相同时,对化学反应的方向的影响作用出现矛盾,因此,在分析一个具体化学反应自发进行的方向时,不能孤立地使用焓判据或熵判据来分析,否则,可能会得出错误的结论。
例1
已知下列过程都能自发进行,其中不能用“焓判据”解释的是( )
A.2Na(s)+Cl2(g)===2NaCl(s) ΔH<0
B.C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(l) ΔH<0
C.2NH4Cl(s)+Ca(OH)2(s)===2NH3(g)+CaCl2(s)+2H2O(l) ΔH>0
D.2Mg(s)+O2(g)===2MgO(s) ΔH<0
答案 C
解析 焓判据是指ΔH<0的反应有利于自发进行,C项反应的ΔH>0,按焓判据反应不能自发进行,而题给条件是能自发进行,所以不能用“焓判据”解释该反应为自发反应。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应焓变与反应方向
规律总结 一般常温下自发进行的放热反应,焓变对反应方向起决定性作用。
例2
碳铵(NH4HCO3)在室温下就能自发地分解产生氨气,下列有关说法中正确的是( )
A.碳铵分解是因为生成了易挥发的气体,使体系的熵增大
B.碳铵分解是因为外界给予了能量
C.碳铵分解是吸热反应,根据焓判据,不能自发分解
D.碳酸盐都不稳定,都能自发分解
答案 A
解析 放热反应常常是容易进行的过程,吸热反应有些也是自发反应;自发反应的熵不一定增大,可能减小,也可能不变。
过程的自发性只能用于判断过程的方向,是否能实现还要看具体的条件。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应熵变与反应方向
规律总结 一般常温下自发进行的吸热反应,熵变对反应方向起决定性作用。
二、焓变与熵变对反应方向的共同影响
1.用焓变和熵变的复合判据判断反应的方向
(1)由焓判据知放热反应是易进行的;由熵判据知熵值增加是自发的。
很多情况下用不同的判据判定同一个反应,可能会出现相反的判断结果。
(2)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。
ΔH-TΔS<0 反应能自发进行
ΔH-TΔS=0 反应达到平衡状态
ΔH-TΔS>0 反应不能自发进行
(3)温度与反应方向的关系图为
2.已知反应:
2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在298K、101kPa的条件下,其ΔH=
-113.0kJ·mol-1,
ΔS=-145.3J·mol-1·K-1。
该反应______(填“能”或“不能”)用于消除汽车尾气中的NO,理由为_________________
_______________________________________________________。
答案 能 该反应的ΔH-TΔS≈-69.7kJ·mol-1<0,说明该反应在理论上可自发进行
解析 ΔH-TΔS=-113.0kJ·mol-1-298K×(-145.3×10-3kJ·mol-1·K-1)≈-69.7kJ·mol-1<0,故理论上该反应能自发进行。
(1)放热和熵增加都对ΔH-TΔS<0有所贡献,因此放热的熵增加反应一定能自发进行,吸热的熵减小反应一定不能自发进行。
(2)当反应的焓变和熵变的影响相反,且二者大小相差悬殊时,某一因素可能占主导地位。
(3)如果反应的焓变和熵变的影响相反且相差不大时,温度可能对反应的方向起决定性作用。
特别提醒
(1)反应发生的条件有多种,ΔH-TΔS这个判据只能用于温度、压强一定下的反应,不能用于其他条件(如温度、体积一定)下的反应。
(2)反应的自发性只能用于判断反应的方向,不能确定反应是否实际发生及反应的速率大小。
例3
下列反应中,一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g) ΔH=-78.03kJ·mol-1 ΔS=1110J·mol-1·K-1
B.CO(g)===C(s,石墨)+
O2(g) ΔH=110.5kJ·mol-1 ΔS=-89.36J·mol-1·K-1
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s)
ΔH=-444.3kJ·mol-1
ΔS=-280.1J·mol-1·K-1
D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH=37.301kJ·mol-1 ΔS=184.05J·mol-1·K-1
答案 B
解析 A项为放热的熵增加反应,在任何温度下都有ΔH-TΔS<0,因此该反应一定能自发进行;B项为吸热的熵减小反应,在任何温度下都有ΔH-TΔS>0,故该反应一定不能自发进行;C项为放热的熵减小反应,在低温时可能有ΔH-TΔS<0,因此该反应在低温下能自发进行;D项为吸热的熵增加反应,在高温时可能有ΔH-TΔS<0,因此该反应在高温下能自发进行。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
易错警示
(1)在利用ΔH-TΔS作为判据判断反应方向时,给出ΔH的单位通常为kJ·mol-1,ΔS的单位通常是J·mol-1·K-1,进行计算时应将二者的单位统一。
(2)利用ΔH、ΔS的符号和ΔH-TΔS进行推理,可以避开计算。
例4
回答下列问题:
(1)用钌的配合物作为催化剂,一定条件下可直接光催化分解CO2,发生反应:
2CO2(g)===2CO(g)+O2(g),该反应的ΔH________(填“>”“<”或“=”,下同)0,ΔS________0,在低温下,该反应________(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)超音速飞机在平流层飞行时,尾气中的NO会破坏臭氧层。
科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2,化学方程式为2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)。
该反应在常温下能够自发进行,则反应的ΔH________(填“>”“<”或“=”)0。
(3)已知在100kPa、298.15K时石灰石分解反应CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)的ΔH>0,ΔS>0,则:
①该反应常温下________(填“能”或“不能”)自发进行。
②据本题反应数据分析,温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素。
(4)已知CaSO4(s)+CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g)
ΔH=218kJ·mol-1,该反应能够自发进行的反应条件是________。
(5)某吸热反应能自发进行,则该反应的ΔS________(填“>”或“<”)0。
(6)NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)常温下可自发进行,则影响反应方向的主要因素是__________。
答案
(1)> > 不能
(2)< (3)①不能 ②能 (4)高温 (5)> (6)焓变
解析
(1)该反应为吸热反应,化学反应后气体的化学计量数之和增加,所以ΔH>0,ΔS>0,故低温下ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行。
(2)因为ΔS<0,且ΔH-TΔS<0,故ΔH<0。
(3)①常温下石灰石不分解。
②该反应的ΔH>0,ΔS>0,属于熵增加的吸热反应,故在高温下该反应能够自发进行。
(4)自发反应的条件是ΔH-TΔS<0,即ΔH
,即T值较大,该反应应在高温下自发进行。
(5)吸热反应能自发进行,即ΔH>0,ΔH-TΔS<0,又知T>0,故ΔS>0。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
方法总结
(1)根据常见的放热反应或吸热反应推知ΔH符号。
(2)根据反应前后物质状态的变化及系数的变化推知ΔS的符号。
(3)利用反应方向的复合判据,ΔH-TΔS<0时,自发进行,作出判断。
1.下列说法完全正确的是( )
A.自发进行的反应均是放热反应
B.ΔS为正值的反应均能自发进行
C.物质的量增加的反应,ΔS为正值
D.CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g):
ΔS>0
答案 D
解析 有些吸热反应也可以自发进行,如(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g),故A项错误;熵变与反应的自发性有关,但不能独立地作为反应是否自发的判据,故B错;物质的量增加的反应,其混乱度不一定增加,即ΔS不一定为正值,如2H2S(g)+O2(g)===2H2O(l)+2S(s),故C错;CaCO3(s)的分解产生了气体,为熵增加反应,故D项正确。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应熵变与反应方向
2.下列关于化学反应的自发性叙述正确的是( )
A.焓变小于0而熵变大于0的反应肯定是自发的
B.焓变和熵变都小于0的反应肯定是自发的
C.焓变和熵变都大于0的反应肯定是自发的
D.熵变小于0而焓变大于0的反应肯定是自发的
答案 A
解析 由复合判据ΔH-TΔS综合考虑反应能否自发进行。
①当ΔH>0,ΔS>0时,不能判断ΔH-TΔS的正负,与T有关;
②当ΔH>0,ΔS<0时,ΔH-TΔS>0,非自发反应;
③当ΔH<0,ΔS>0时,ΔH-TΔS<0,一定是自发反应;
④当ΔH<0,ΔS<0时,不能判断ΔH-TΔS的正负,与T有关。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
3.下列反应在任何温度下均能自发进行的是( )
A.2N2(g)+O2(g)===2N2O(g) ΔH=163kJ·mol-1
B.Ag(s)+
Cl2(g)===AgCl(s) ΔH=-127kJ·mol-1
C.HgO(s)===Hg(l)+
O2(g) ΔH=91kJ·mol-1
D.H2O2(l)===
O2(g)+H2O(l) ΔH=-98kJ·mol-1
答案 D
解析 ΔH-TΔS<0时,反应在任何温度下均自发进行,ΔH<0、ΔS>0符合题意的要求,故选D。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
4.向平底烧瓶中放入氢氧化钡晶体[Ba(OH)2·8H2O]和氯化铵晶体,塞紧瓶塞。
在木板上滴少量水,如图所示。
一会儿,就会发现瓶内固态物质变成液体,瓶壁变冷,小木板上因少量水冻结而被烧瓶粘住,这时打开瓶塞,出来的气体有氨味。
这是自发地发生了反应:
Ba(OH)2·8H2O(s)+2NH4Cl(s)===BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)。
下列结论中正确的是( )
A.自发反应一定是放热反应
B.自发反应一定是吸热反应
C.有的吸热反应也能自发进行
D.吸热反应不能自发进行
答案 C
解析 本反应的ΔH>0,ΔS>0,故在一定温度下有的吸热反应可自发进行。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
5.某反应2AB(g)C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温下能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为( )
A.ΔH>0,ΔS<0B.ΔH<0,ΔS<0
C.ΔH<0,ΔS>0D.ΔH>0,ΔS>0
答案 D
解析 该反应是一个气体物质的量增大的反应,即ΔS>0,故其逆反应ΔS<0;又知其逆反应在低温下能自发进行,可知逆反应的ΔH<0,故该反应的ΔH>0。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
6.回答下列问题:
(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO:
2CO(g)===2C(s)+O2(g)。
已知该反应的ΔH>0,简述该设想能否实现的依据:
_________________________________
________________________________________________________________________。
(2)下列反应中,在高温下不能自发进行的是________(填字母)。
a.CO(g)===C(s)+
O2(g)
b.2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)
c.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g)
d.MgCO3(s)===MgO(s)+CO2(g)
(3)25℃和1.01×105Pa时,反应:
2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH=56.76kJ·mol-1自发进行的原因是_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应是SiO2(s)+4HF(g)===SiF4(g)+2H2O(g)
ΔH(298.15K)=-94.0kJ·mol-1,
ΔS(298.15K)=-75.8J·mol-1·K-1
设ΔH和ΔS不随温度变化而变化,试求此反应自发进行的温度(T)条件________。
答案
(1)该反应是ΔH>0、ΔS<0的反应,任何温度下均不能自发进行
(2)a (3)该反应是熵增反应,且常温下熵变ΔS对反应的方向起决定作用 (4)T<1240K
解析
(1)该反应ΔH>0、ΔS<0,根据ΔH-TΔS>0,故不能实现该反应。
(2)a、b、c、d的ΔH>0,b、c、d反应的ΔS>0,ΔH-TΔS<0时,反应才能自发进行,所以在高温下才能自发进行。
a项ΔS<0,ΔH-TΔS>0,所以在高温时该反应不能自发进行。
(4)要使反应能够自发进行,则ΔH-TΔS<0,即-94.0kJ·mol-1-T×[-75.8×10-3kJ·mol-1·K-1]<0,T<
≈1240K,即只有在温度低于1240K时反应才能自发进行。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
[对点训练]
题组1 自发过程的判断
1.下列过程属于非自发过程的是( )
A.水由高处向低处流
B.天然气的燃烧
C.铁在潮湿的空气中生锈
D.室温下液态水结成冰
答案 D
解析 本题考查的是自发过程的判断。
自然界中的水由高处向低处流、天然气的燃烧、铁在潮湿的空气中生锈、室温下冰的融化都是自发过程,其逆向都是非自发的,故正确答案为D。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 自发过程与自发反应的判断
2.下列说法中正确的是( )
A.能自发进行的反应一定能迅速发生
B.非自发进行的反应一定不可能发生
C.能自发进行的反应实际可能没有发生
D.常温下,2H2O
2H2↑+O2↑,即常温下水的分解反应是自发反应
答案 C
解析 能否自发进行与反应进行的快慢没有必然联系,能自发进行的反应不一定能迅速发生,因为反应进行的快慢受反应条件的影响,A项错误;在一定条件下,非自发反应也可能发生,B项错误;D项中反应属于非自发反应,错误。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 自发反应的概念理解
题组2 反应焓变与反应方向
3.下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是( )
A.化学反应的焓变与其反应的方向无关
B.化学反应的焓变直接决定了反应的方向
C.反应焓变为正值时不利于反应自发进行
D.焓变为负值的反应都能自发进行
答案 C
解析 可逆反应的两个反应其焓变的数值相等,但是符号(变化趋势)相反,A项错误;焓变对反应方向有直接影响,但不能决定反应进行的方向,B项错误;焓变为负值的反应多数能自发进行,但有的也不是自发反应,D项错误;焓变为正值,吸收热量,体系能量升高,不利于反应自发进行,C项正确。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应焓变与反应方向
4.以下自发过程或化学反应可用焓变来解释的是( )
A.硝酸铵溶于水
B.2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)
ΔH=56.7kJ·mol-1
C.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g)
ΔH=74.9kJ·mol-1
D.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)
ΔH=-571.6kJ·mol-1
答案 D
解析 A、B、C项中的过程或化学反应均是吸收热量的,ΔH>0;只有D项中ΔH<0,是放出热量的自发反应,适合用焓变来解释。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应焓变与反应方向
题组3 反应熵变与反应方向
5.在25℃、1.01×105Pa下,反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) ΔH=56.7kJ·mol-1能自发进行的合理解释是( )
A.该反应是分解反应
B.该反应的熵增效应大于焓变效应
C.该反应是熵减反应
D.该反应是放热反应
答案 B
解析 该反应是吸热反应。
不能只用焓判据来判断反应进行的方向,该反应过程中熵增大,是熵增反应。
该反应能够自发进行,说明该反应的熵增效应大于焓变效应。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应熵变与反应方向
6.对下列过程的熵变的判断不正确的是( )
A.溶解少量食盐于水中:
ΔS>0
B.纯碳和氧气反应生成CO(g):
ΔS>0
C.水蒸气变成液态水:
ΔS>0
D.CaCO3(s)加热分解为CaO(s)和CO2(g):
ΔS>0
答案 C
解析 水蒸气变成液态水是熵减小的过程。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 反应熵变与反应方向
题组4 反应方向的复合判据
7.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.NH4HCO3(s)===NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)
ΔH=185.57kJ·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。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
8.下列说法正确的是( )
A.凡是放热反应都是自发的,因为吸热反应都是非自发的
B.自发反应的熵一定增大,非自发反应的熵一定减小
C.常温下,反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH>0
D.反应2Mg(s)+CO2(g)===C(s)+2MgO(s)能自发进行,则该反应的ΔH>0
答案 C
解析 反应的自发性是由熵变和焓变共同决定的,若ΔH<0,ΔS>0,则一定自发,若ΔH>0,ΔS<0,则一定不能自发,若ΔH<0,ΔS<0或ΔH>0,ΔS>0,则能否自发和温度有关,A、B项错误;C项中反应的ΔS>0,若ΔH<0,则一定能自发,现常温下不能自发,说明ΔH>0,正确;D项中反应的ΔS<0,能自发,说明ΔH<0,D项错误。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
9.已知反应:
Te(s)+H2(g)===H2Te(g)的ΔH为正值,ΔS为负值,设ΔH与ΔS不随温度而变化,下列说法正确的是( )
A.低温下是自发反应
B.高温下是自发反应
C.低温下是非自发反应,高温下是自发反应
D.任何温度下都是非自发反应
答案 D
解析 由
知ΔH-TΔS>0,且随温度的升高而增大。
考点 化学反应的方向及其判断
题点 化学反应方向的复合判据
10.下列说法正确的是( )
A.2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在常温下能自发进行,则该反应的ΔH>0
B.反应NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)在室温下可自发进行,则该反应的ΔH<0
C.CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)室温下不能自发进行,说明该反应的ΔH<0
D.常温下,反应C(s)+CO2(g)===2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH<0
答案 B
解析 A项,该反应能自发进行,则ΔH-TΔS<0,即ΔH
[综合强化]
11.灰锡结构松散,不能用于制造器皿;而白锡结构坚固,可以制造器皿。
现把白锡制造的器皿放在273K、100kPa的室内存放,它会不会变成灰锡而不能继续使用(已知在273K、100kPa条件下白锡转化为灰锡的反应,其焓变和熵变分别为ΔH=-2180.9J·mol-1,
ΔS=-6.61J·mol-1·K-1)( )
A.会变B.不会变
C.不能确定D.升高温度才会变
答案 A
解析 在等温等
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