化学同步人教选修4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.docx
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化学同步人教选修4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
1.了解自发过程和化学反应的自发性。
2.通过“有序”和“无序”的对比,了解熵和熵变的概念。
3.初步了解焓变和熵变对化学反应方向的影响,能用焓变和熵变解释化学反应的方向。
1.自发过程
不用借助外力就可以自动进行的过程,如高山流水、自由落体。
2.化学反应进行的方向
(1)焓判据:
放热反应过程中体系能量降低,具有自发进行的倾向,因此可用焓变来判断反应进行的方向。
(2)熵判据:
体系有自发地向混乱度增加(即熵增)的方向转变的倾向,因此可用熵变来判断反应进行的方向。
[新知探究]
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(无序体系更加稳定)。
2.自发反应
在一定条件下,有可以发生反应的趋势的一类反应,就称为自发反应。
3.非自发反应
不能自发进行,必须借助某种外力才能进行的反应。
[对点演练]
1.下列过程是非自发的是( )
A.水由高处向低处流 B.天然气的燃烧
C.整齐火柴的散落D.室温下水结成冰
[解析] 自然界中水由高处向低处流,天然气的燃烧,火柴的散落,室温下冰的融化,都是自发过程,其逆向都是非自发的。
[答案] D
[新知探究]
1.焓判据
(1)放热反应过程中体系能量降低,具有自发进行的倾向,因此可用焓变来判断反应进行的方向。
(2)焓判据的局限性:
放热反应有利于反应自发进行,但有些吸热反应也能自发进行,所以焓变是反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素。
2.熵判据
(1)熵:
用来量度体系混乱程度的物理量。
熵值越大,混乱程度越大。
符号为S。
(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)熵增原理:
在与外界隔绝的体系中,自发过程将导致体系的熵增大,即熵变(符号ΔS)大于零。
(4)熵判据:
①体系有自发地向混乱度增大(即熵增)的方向转变的倾向,因此可用熵变来判断反应进行的方向。
②熵增有利于反应自发进行,但有些熵值减小的反应,在一定条件下也能自发进行。
少数熵减小的反应,它在一定条件下也可以自发进行。
如:
NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)ΔS<0。
所以熵变是反应能否自发进行的一个因素,但不是唯一因素。
[名师点拨]
(1)焓变和熵变都是与反应能否自发进行有关的因素,但都不能独立作为反应自发性的判据;要判断反应进行的方向,必须综合考虑体系的焓变和熵变对反应方向的综合影响。
(2)判断过程自发性的目的是判断反应进行的方向,并不能判断反应的快慢和热效应,也不能确定反应是否一定能发生。
[对点演练]
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.NH4HCO3(s)===NH3(g)+H2O(g)+CO2(g) ΔH=+185.7kJ·mol-1,能自发进行,原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向
C.因为焓变和熵变都与反应的自发性有关,因此焓变或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
[解析] 有些熵增大的吸热反应可以自发进行,如NH4HCO3的分解,A项错误,B项正确;分析一个化学反应的自发性要将焓变和熵变综合起来,即利用复合判据进行判断,C项错误;D项中使用催化剂只能改变化学反应的速率,不能改变化学反应进行的方向。
[答案] B
[新知探究]
在一定条件下,一个化学反应能否自发进行,既与反应焓变有关,又与反应熵变有关。
研究表明,在恒温、恒压下,判断化学反应自发性的判据是:
体系自由能变化(ΔG、单位:
kJ·mol-1):
ΔG=ΔH-TΔS(注意:
T的单位是“K”,不是“℃”)。
(1)ΔG=ΔH-TΔS<0,反应能自发进行;
(2)ΔG=ΔH-TΔS=0,反应达到平衡状态;
(3)ΔG=ΔH-TΔS>0,反应不能自发进行。
[名师点拨]
在一定条件下,一个化学反应能否自发进行,既与焓变有关,又与熵变有关。
(1)在恒温、恒压条件下,反应是否是自发反应,由ΔG=ΔH-TΔS的值来决定,即存在如下坐标关系:
(2)复合判据只适用于判断恒温、恒压条件下的反应能否自发进行,不适用于判断其他条件。
(3)反应的自发性只能用于判断反应的方向性,反应是否能实现,还要看具体的条件。
过程的自发性只是一种趋势,过程要发生,必须具备一定的条件。
[对点演练]
3.试判断用于汽车净化的一个反应2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在298K、100kPa下能否自发进行?
已知:
在298K、100kPa下该反应的ΔH=-113.0kJ·mol-1,ΔS=-145.3J·mol-1·K-1。
[解析] ΔH-TΔS=-113.0kJ·mol-1-298K×(-145.3J·mol-1·K-1)×10-3≈-69.7kJ·mol-1<0,可以自发进行。
[答案] 可以自发进行
1.下列说法不正确的是( )
A.铁生锈和氢气燃烧均为自发放热过程
B.冰融化的过程中,熵值增大
C.无热效应的自发过程是不存在的
D.同一物质固态时熵值最小
解析:
选C 铁生锈和氢气燃烧均为放出热量的自发过程,A项正确;冰融化时有序性减弱,混乱度增加,即熵值增大,B项正确;物质由有序转化为无序时,不一定发生热效应,如分子的扩散现象,C项错误;同一物质在固态时有序性最高,熵值最小,D项正确。
2.以下自发反应能用焓判据来解释的是( )
A.硝酸铵自发地溶于水
B.H2O(l)===H2O(g) ΔH=+44.0kJ·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
解析:
选D A项可用熵的增加来解释其自发过程;B、C两项反应后气体体积增大,其自发过程可结合熵的增加来解释;D项是放热反应,由于反应放热有利于反应的自发进行,故可用焓判据来解释说明。
3.金属锡的冶炼常用焦炭作还原剂:
SnO2+2C===Sn+2CO↑,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<0 ΔS<0 B.ΔH>0 ΔS<0
C.ΔH<0 ΔS>0D.ΔH>0 ΔS>0
解析:
选D 根据图像可知该反应是吸热反应,ΔH>0;根据反应方程式可知该反应是熵增反应,ΔS>0,故应选D。
4.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.298K、1.01×105Pa时,2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)是熵增的反应
解析:
选C 体系都有从有序自发转变为无序的倾向,此过程为熵增过程,故C错误。
5.二氧化碳的捕集、存储和转化是当今化学研究的热点问题之一。
(1)用钌的配合物作催化剂,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)CO2的转化途径之一是首先利用太阳能或生物质能分解水制H2,然后将H2与CO2转化为甲醇或其他化学产品。
你认为该方法需要解决的技术问题有________(填字母)。
a.开发高效光催化剂
b.将通过光催化剂制取的氢气从反应体系中有效分离,并与CO2发生催化转化
c.二氧化碳及水资源的供应
解析:
(1)该反应是分解反应,且为CO的燃烧反应的逆向反应,因CO燃烧时放热,所以该反应为吸热反应,即ΔH>0,因气体的物质的量增多,所以ΔS>0。
ΔG=ΔH-TΔS<0时,反应可自发进行,所以在低温下,该反应不能自发进行。
(2)二氧化碳和水供应充足,不用考虑。
答案:
(1)> > 不能
(2)ab
一、选择题
1.下列说法正确的是( )
A.凡是放热反应都是自发的,凡是吸热反应都是非自发的
B.自发反应熵一定增大,非自发反应熵一定减小或不变
C.自发反应在适当条件下才能实现
D.自发反应在任何条件下都能实现
解析:
选C 放热反应大多是能够自发进行的过程,而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,反应是否能实现还要看具体的条件。
2.下列反应中,在高温下不能自发进行的是( )
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)
解析:
选A 在与外界隔离的体系中,自发过程将导致体系的熵增大,这个原理叫熵增原理,在用来判断过程的方向时,称为熵判据。
本题中A、B、C、D都是吸热反应,其中B、C、D三个反应又都是熵增加的反应,在高温条件下能自发进行;A反应是熵减少的反应,在高温下不能自发进行。
3.下列有关说法正确的是( )
A.SO2(g)+H2O(g)===H2SO3(l),该过程熵值增大
B.SO2(g)===S(s)+O2(g) ΔH>0,ΔS<0,该反应能自发进行
C.SO2(g)+2H2S(g)===3S(s)+2H2O(l) ΔH<0,低温下能自发进行
D.某温度下SO2(g)+
O2(g)
SO3(g),K=
解析:
选C 反应由气体物质生成液体物质是熵值减小的反应,A项不正确;ΔH>0,ΔS<0,反应不能自发进行,B项不正确;C项中是一个ΔH<0,ΔS<0的反应,由ΔH-TΔS可知,反应在低温下能自发进行,C项正确;D项中K=
。
4.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Ⅱ,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向混乱程度大的变化过程,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
解析:
选C 气体混合后,不可能分开,所以此过程不可逆。
5.二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.步骤一中将反应器加热到400℃,可提高CaCO3的生成速率
B.步骤一中生成CaCO3的反应为吸热反应
C.步骤一与步骤二中的反应互为可逆反应
D.步骤二中反应的ΔS<0
解析:
选A CaO与CO2的反应为放热反应,B项错误;生成CaCO3的反应和CaCO3分解反应的反应条件不同,二者不互为可逆反应,C项错误;反应CaCO3(s)
CaO(s)+CO2(g)的ΔS>0,D项错误。
6.下列反应过程中,ΔH>0且ΔS>0的是( )
A.NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)
B.CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g)
C.4Al(s)+3O2(g)===2Al2O3(s)
D.HCl(aq)+NaOH(aq)===NaCl(aq)+H2O(l)
解析:
选B A是熵减的放热反应;C是熵减的放热反应;D是放热反应。
7.250℃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( )
A.是吸热反应 B.是放热反应
C.是熵减反应D.熵增效应大于能量效应
解析:
选D 由所给的热化学方程式可知,该反应为吸热、熵增加的反应,由ΔH-TΔS<0知熵的变化是自发进行的原因。
8.下列对熵变的判断中不正确的是( )
A.少量的食盐溶解于水中:
ΔS>0
B.炭和氧气反应生成CO(g):
ΔS>0
C.气态水变成液态水:
ΔS>0
D.CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g):
ΔS>0
解析:
选C 食盐溶于水是典型的熵增加过程;2C(s)+O2(g)===2CO(g),气体的物质的量增大,为熵增加的反应;气态水变成液态水是体系混乱度减小的过程,为熵减小的过程;CaCO3(s)的分解产生了气体,为熵增加反应。
9.已知反应2CO(g)===2C(s)+O2(g)的ΔH为正值,ΔS为负值。
设ΔH和ΔS不随温度而变,下列说法中正确的是( )
A.低温下能自发进行
B.高温下能自发进行
C.低温下不能自发进行,高温下能自发进行
D.任何温度下都不能自发进行
解析:
选D 根据复合判据ΔH-TΔS<0时反应自发进行,ΔH-TΔS>0时反应非自发进行,又因为ΔH>0,ΔS<0,T>0,故ΔH-TΔS>0,此反应为非自发进行的反应。
10.反应CH3OH(l)+NH3(g)===CH3NH2(g)+H2O(g)在某温度下自发向右进行,若反应|ΔH|=17kJ·mol-1,|ΔH-TΔS|=17kJ·mol-1,则下列正确的是( )
A.ΔH>0,ΔH-TΔS<0
B.ΔH<0,ΔH-TΔS>0
C.ΔH>0,ΔH-TΔS>0
D.ΔH<0,ΔH-TΔS<0
解析:
选A 该反应在某温度下自发向右进行,说明ΔH-TΔS=-17kJ·mol-1;又由于该反应气态物质的物质的量增大,是熵增大的反应,其熵变ΔS是正值,只有ΔH=17kJ·mol-1,才有ΔH-TΔS=-17kJ·mol-1。
11.下列关于化学反应的自发性叙述中正确的是( )
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
解析:
选A 用复合判据ΔG=ΔH-TΔS判断:
①当ΔH>0,ΔS>0时,不能判断ΔG=ΔH-TΔS正负。
②当ΔH>0,ΔS<0时,ΔG=ΔH-TΔS>0,反应为非自发反应。
③当ΔH<0,ΔS>0时,ΔG=ΔH-TΔS<0,反应一定是自发反应。
④当ΔH<0,ΔS<0时,不能判断ΔG=ΔH-TΔS正负。
12.下列对化学反应预测正确的是( )
选项
化学反应方程式
已知条件
预测
A
M(s)===X(g)+Y(s)
ΔH>0
它是非自发反应
B
W(s)+xG(g)===2Q(g)
ΔH<0,自发反应
x可能等于1、2、3
C
4X(g)+5Y(g)===4W(g)+6G(g)
能自发反应
ΔH一定小于0
D
4M(s)+N(g)+2W(l)===4Q(s)
常温下,自发进行
ΔH>0
解析:
选B 根据复合判据:
ΔG=ΔH-T·ΔS,M(s)===X(g)+Y(s),固体分解生成气体,为熵增反应,ΔH>0时,在高温下能自发进行,A错误;W(s)+xG(g)===2Q(g) ΔH<0,能自发进行,若熵增,任何温度下都能自发进行,若熵减,在低温条件下能自发进行,所以,G的计量数不确定,x等于1、2或3时,都符合题意,B正确;4X(g)+5Y(g)===4W(g)+6G(g)是熵增反应,当ΔH>0时,在高温下能自发进行,C错误;4M(s)+N(g)+2W(l)===4Q(s)为熵减反应,常温下能自发进行,说明该反应一定是放热反应,D错误。
二、非选择题
13.在化学反应A(g)+B(g)
2C(g)+D(g) ΔH=QkJ·mol-1过程中的能量变化如图所示,回答下列问题。
(1)Q________0(填“>”“<”或“=”)。
(2)熵变ΔS________0(填“>”“<”或“=”)。
(3)该反应________自发进行(填“能”或“不能”)。
(4)升高温度平衡常数K________(填“增大”“减小”或“不变”),平衡向________方向移动。
解析:
据图像可知,该反应是放热反应,故Q<0。
据反应特点可知,该反应是熵增大的反应,故ΔS>0;据此可知该反应能自发进行;升高温度,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小。
答案:
(1)<
(2)> (3)能 (4)减小 逆反应
14.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,得到如图所示图像(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)。
分析图像,回答下列问题:
(1)在图像反应Ⅰ中,若p1>p2,则此反应的正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应,也是一个气体分子数________(填“减少”或“增多”)的反应。
由此判断,此反应自发进行,必须满足的条件是________。
(2)在图像反应Ⅱ中,T1________T2(填“>”“<”或“=”),该反应的正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(3)在图像反应Ⅲ中,若T1>T2,则该反应能否自发进行?
________________。
解析:
(1)反应Ⅰ中恒压下,温度升高,α(A)减小,即升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0;由p1>p2知相同温度时,压强增大,α(A)增大,即增大压强平衡正向移动,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。
(2)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,即升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0。
(3)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,说明升高温度平衡逆向移动,正反应为放热反应,ΔH<0,则ΔH-TΔS<0,反应能自发进行。
答案:
(1)放热 减少 低温
(2)> 放热(3)能自发进行
15.已知一个可逆反应,若正反应可自发过程,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=980K时ΔH-TΔS=0。
当体系温度低于980K时,估计ΔH-TΔS________0(填“大于”“小于”或“等于”,下同);当体系温度高于980K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(298.15K)=-94.0kJ·mol-1 ΔS(298.15K)=-75.8J·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________。
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<980K时,ΔH-TΔS<0,T>980K时,ΔH-TΔS>0。
(2)由题给信息可知,要使反应能自发进行,应有ΔH-TΔS<0,即-94.0kJ·mol-1-T(-75.8×10-3kJ·mol-1·K-1)<0,则T<
≈1240K
答案:
(1)小于 大于
(2)小于1240K
[能力提升]
16.已知在100kPa、298.15K时石灰石分解反应:
CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g) ΔH=+178.3kJ·mol-1 ΔS=160.4J·mol-1·K-1,则:
(1)该反应________(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)据本题反应数据分析,温度________(填“能”或“否”)成为反应方向的决定因素。
(3)若温度能决定反应方向,则该反应自发进行的最低温度为________。
解析:
(1)ΔH-TΔS=178.3kJ·mol-1-298.15K×160.4×10-3kJ·mol-1·K-1=130.5kJ·mol-1>0,所以该反应不能自发进行。
(2)因为该反应ΔH>0、ΔS>0,所以根据ΔH-TΔS可知在温度较高的时候,ΔH-TΔS<0,反应可自发进行。
(3)根据ΔH-TΔS<0时,反应可自发进行,则有:
T>
≈1111.6K。
答案:
(1)不能
(2)能 (3)1111.6K
17.有A、B、C、D四反应:
反应
A
B
C
D
ΔH(kJ·mol-1)
10.5
1.80
-126
-11.7
ΔS(J·mol-1·K-1)
30.0
-113.0
84.0
-105.0
则在任何温度下都能自发进行的反应是______;(填反应字母,下同)任何温度下都不能自发进行的反应是______;另两个反应中,在温度高于______℃时可自发进行的反应是______;在温度低于______℃时可自发进行的反应是______。
解析:
在任何温度下都能自发进行的反应中ΔH-TΔS恒小于0,即ΔH<0,ΔS>0,满足此条件的为反应C。
任何温度下都不能自发进行的反应中ΔH-TΔS恒大于0,即ΔH>0,ΔS<0,满足此条件的为反应B。
反应A的复合判据ΔH-TΔS=10500J·mol-1-T×30.0J·mol-1·K-1,当T>350K,即t>76.85℃时,ΔH-TΔS<0,反应能自发进行。
反应D的复合判据ΔH-TΔS=-11700J·mol-1+T×105.0J·mol-1·K-1,当T<111.43K,即t<-161.72℃时,ΔH-TΔS<0,反应能自发进行。
答案:
C B 76.85 A -161.72 D
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- 化学同步人教选修4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 化学 同步 选修 第二 化学反应 速率 化学平衡 第四 进行 方向