高中化学 专题2 第二单元 第1课时 化学反应的方向学案 苏教版选修4

第二单元化学反应的方向和限度
第1课时化学反应的方向
[学习目标定位] 知道自发过程和自发反应的主要特点，知道焓判据、熵判据的含义，会用焓变和熵变判断反应进行的方向。

1．根据是否有外力作用，过程可分为自发过程和非自发过程。

自发过程是在一定条件下，不借助外力而自发进行的过程。

回答下列问题：
(1)下列现象的发生，你认为是自发过程的是( )
A．水由高处往低处流B．气温升高冰雪融化
C．室温下，水自动结成冰D．生锈的铁变光亮
答案AB
(2)自发过程具有的特点
①体系趋向于从能量较高状态转变为能量较低状态(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。

2．有下列化学反应：①白磷自燃、②氯化氢分解、③煤燃烧、④钠与水反应、⑤酸碱中和反应，其中属于能自发进行的化学反应(简称自发反应)的是①④⑤，属于放热反应的是①③④⑤。

3．自发过程和自发反应
自发过程自发反应
含义
在一定条件下，不借助外力而
自发进行的过程
在一定温度和压强下，无需外界帮助
就能自动进行的反应特征
具有方向性，即反应的某个方向在一定条件下是自发的，而其逆方向
在该条件下是肯定不能自发进行的
举例高山流水，自由落体运动钢铁生锈
应用
(1)可被用来完成有用功。

如H2燃烧可设计成原电池
(2)非自发过程要想发生，必须对它做功。

如通电将水分解为H2和O2
探究点一化学反应的方向与焓变的关系
1．根据下图，回答有关问题。

(1)图1表示的反应释放能量，为放热反应，体系能量由高到低，趋向稳定，该过程一般能自发进行。

(2)图2表示的反应吸收能量，为吸热反应，体系能量由低到高，趋向不稳定，根据自发过程的特点，该反应一般不能自发进行。

2．分析下列反应进行的方向与ΔH之间的关系：
(1)NaOH(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。

(2)2Na(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。

(3)NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l) ΔH>0，该反应在常温下能自发进行。

(4)CaCO3(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。

[归纳总结]
自发反应与焓变的关系
多数自发进行的化学反应是放热反应，但也有很多吸热反应能自发进行，因此，反应焓变是与反应进行的方向有关的因素之一，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。

[活学活用]
1．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，故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。

2．实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。

对此说法的理解的叙述中，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种重要因素
D．焓变是决定反应是否具有自发性的判据
答案 C
解析多数能自发进行的反应都是放热反应，并不是所有自发进行的反应都是放热反应，既然说“多数”，必定存在特例，所以只能说“焓变是影响反应是否具有自发性的一种重要因素，但不是唯一因素”。

探究点二化学反应的方向与熵变的关系
1．熵的概念
自发过程的体系趋向于由有序转变为无序，体系的混乱度增大。

体系的混乱度常用熵来描述，熵的概念是衡量一个体系混乱度的物理量，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，如对同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。

3．熵判据
在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这个原理叫做熵增原理。

在用熵变来判断过程的方向时，就称为熵判据。

(1)当ΔS>0时，反应为熵增反应，在一定条件下能自发进行。

(2)当ΔS<0时，反应为熵减反应，在一定条件下不能自发进行。

[归纳总结]
(1)反应熵变是与反应进行的方向有关的因素之一，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。

如：2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s) ΔS＝－39.35 J·mol－1·K－1，上述反应为熵减少的反应，但在一定条件下，该反应也能自发进行。

说明“熵判据”也具有一定的局限性。

(2)从能量角度(即焓变)看，化学反应趋向于最低能量状态的倾向，而从熵变角度看，化学反应呈现最大混乱度的倾向，在实际的化学变化中，ΔH与ΔS倾向有时会出现矛盾，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。

[活学活用]
3．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)。

由此可知，下列说法中正确的是( )
A．该反应是熵增大的反应
B．该反应不能自发进行，因此需要合适的催化剂
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
D．该反应常温下能自发进行，因为正反应是吸热反应
答案 C
解析只使用催化剂便可使尾气发生转化，故此反应能自发进行；因反应是气体物质的量减小的反应，故熵减小；因熵减小不利于反应自发，故自发进行的原因是反应放热。

4．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．纯碳和氧气反应生成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
答案 C
解析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，为熵增大的反应；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，为熵增大的反应。

1．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 本题考查化学反应进行方向的判据，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。

故选A 。

2．已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为 ①C(石墨，s)＋O 2(g)===CO 2(g) ΔH ＝－393.5 kJ·mol －1
②C(金刚石，s)＋O 2(g)===CO 2(g) ΔH ＝－395.4 kJ·mol －1
关于金刚石和石墨的相互转化，下列说法正确的是( ) A ．石墨转化成金刚石是自发的过程 B ．金刚石转化成石墨是自发的过程 C ．石墨比金刚石能量高 D ．金刚石比石墨稳定 答案 B
解析 由①－②得C(石墨，s)===C(金刚石，s) ΔH ＝1.9 kJ·mol －1
，根据焓判据，则说明金刚石变成石墨是自发的，B 正确；ΔH >0，说明石墨变成金刚石需吸收能量，则说明金刚石比石墨能量高，不稳定。

3．判断下列反应的熵值的变化，在每小题后面的横线上填上“增大”、“减小”或“无明显变化”。

(1)2H 2(g)＋O 2(g)=====点燃
2H 2O(l)______________________________________________。

(2)H 2(g)＋Cl 2(g)=====点燃
2HCl(g)_____________________________________________。

(3)(NH 4)2CO 3(s)===NH 4HCO 3(s)＋NH 3(g)_____________________________________。

(4)Cu(s)＋Cl 2(g)=====点燃
CuCl 2(s)_______________________________________________。

答案 (1)减小 (2)无明显变化 (3)增大 (4)减小
解析 对同一种物质，由于S (g)>S (l)>S (s)，故气体→液体→固体是熵减小的变化，反之是熵增大的变化。

4．已知下列热化学方程式 ①Ag ＋
(aq)＋Cl －
(aq)===AgCl(s) ΔH ＝－51.1 kJ·mol －1
②2Mg(s)＋O 2(g)===2MgO(s) ΔH ＝－1 203.2 kJ·mol －1
③K(s)＋H 2O(l)===K ＋(aq)＋OH －
(aq)＋12
H 2(g)
ΔH＝－196.6 kJ·mol－1
(1)根据所学知识和生活经验，分析判断在常温下是否能自发进行，这些反应过程的焓变和熵变是否有利于反应自发进行？将其答案填入下表：
反应方向性焓变熵变
①AgNO3溶液与NaCl溶液反应
②镁条置于空气中被氧化
③钾与水反应
(2)。

答案(1)①自发进行ΔH＜0，有利自发ΔS＜0，不利自发②自发进行ΔH＜0，有利自发ΔS＜0，不利自发③自发进行ΔH＜0，有利自发ΔS＞0，有利自发
(2)综合考虑反应的焓变与熵变
[基础过关]
一、自发过程的判断
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．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。

2．知道了某过程有自发性之后，则( )
A．可判断出过程的方向
B．可确定过程是否一定会发生
C．可预测过程发生完成的快慢
D．可判断过程的热效应
答案 A
解析判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢、反应的热效应无关。

二、焓变和熵变
3．冰融化为水的过程的焓变和熵变正确的是( )
A．ΔH>0，ΔS<0 B．ΔH<0，ΔS>0
C．ΔH>0，ΔS>0 D．ΔH<0，ΔS<0
答案 C
解析冰融化为水是熵增大的反应，该过程吸热，ΔH>0。

4．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
答案 D
解析因为ΔH>0，ΔS<0，此反应为非自发进行的反应。

5．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．炭和氧气反应生成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
解析熵变是依据混乱度来取值的。

混乱度的大小取决于能够自由运动的粒子的数目。

因此A、D均因增大了混乱度而熵增大。

C项由于气体变为液体而混乱度减小，故应是熵减小。

B 中由于产生的一氧化碳分子数大于消耗的氧气分子数，所以混乱度应该增大(炭是固体，认为粒子排列有序，混乱度很低)。

三、化学反应方向的判断
6．下列说法中正确的是( )
A．凡是放热反应都是能自发进行的反应，而吸热反应都是非自发进行的反应
B．自发反应一定是熵增加的反应，非自发反应一定是熵减小或不变的反应
C．熵增加且放热的反应一定是自发反应
D．非自发反应在任何条件下都不能发生
答案 C
解析一个反应是不是自发的，ΔH和ΔS都对反应有影响，不由单方面决定，A、B错误；熵增加即ΔS>0，放热反应即ΔH<0，一定是自发的，C对；非自发的反应，可以通过改变条件，实现自发，D错误。

7．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＝－572 kJ·mol－1
D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)
ΔH＝178.2 kJ·mol－1
答案 C
解析焓判据是指ΔH<0的反应，一般是自发的。

只有C项符合题意。

8．25 ℃、1.01×105 Pa时，反应2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g) ΔH＝56.7 kJ·mol－1自发进行的原因是( )
A．是吸热反应
B．是放热反应
C．是熵减小的反应
D．熵增大效应大于能量效应
答案 D
解析该反应是吸热反应，根据焓判据是不能自发进行的，说明该反应之所以能够自发进行是由于熵增效应，并且熵增效应大于能量效应。

9．已知在等温等压条件下，化学反应方向的判据为
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
设反应A===D＋E 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而低于409 K
D．低于409 K
答案 A
解析要防止反应发生需满足ΔH－TΔS>0的条件，解不等式得T>409，故A正确。

10．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①当ΔH>0，ΔS>0时
不能判断ΔH －T ΔS 的正负，与T 有关。

②当ΔH >0，ΔS <0时 ΔH －T ΔS >0，非自发反应。

③当ΔH <0，ΔS >0时
ΔH －T ΔS <0，一定是自发反应。

④当ΔH <0，ΔS <0时
不能判断ΔH 的正负，与T 有关。

11．分析下列反应在任何温度下均能自发进行的是( ) A ．2N 2(g)＋O 2(g)===2N 2O(g) ΔH ＝163 kJ·mol －1
B ．Ag(s)＋1
2Cl 2(g)===AgCl(s)
ΔH ＝－127 kJ·mol －1 C ．HgO(s)===Hg(l)＋1
2O 2(g)
ΔH ＝91 kJ·mol －1
D ．H 2O 2(l)===1
2O 2(g)＋H 2O(l)
ΔH ＝－98 kJ·mol －1 答案 D
解析 反应自发进行的前提条件是反应的ΔH －T ΔS <0，温度的变化可能使ΔH －T ΔS 的符号发生变化。

对于A 项，ΔH >0，ΔS <0，在任何温度下，ΔH －T ΔS >0，即任何温度下，反应都不能自发进行；对于B 项，ΔH <0，ΔS <0，在较低温度下，ΔH －T ΔS <0，即反应温度不能过高；对于C 项，ΔH >0，ΔS >0，若使反应自发进行，即ΔH －T ΔS <0，必须提高温度，即反应只有在较高温度时能自发进行；对于D 项，ΔH <0，ΔS >0，在任何温度下，ΔH －T ΔS <0，即在任何温度下反应均能自发进行。

[能力提升]
12．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( )
理想气体的自发混合
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。

13．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0 ℃、101 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能继续使用( )
(已知在0 ℃、101 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应，焓变和熵变分别为ΔH＝－2 180.9 J·mol－1，ΔS＝－6.61 J·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
解析在等温等压条件下，自发反应总是向着ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至平衡状态。

在0 ℃、101 kPa条件下，白锡会不会变为灰锡就转化为求算反应白锡―→灰锡ΔH－TΔS 的问题。

ΔH－TΔS＝－2 180.9 J·mol－1－273 K×(－6.61 J·mol－1·K－1)＝－376.37 J·mol－1＜0，因此在此温度和压强下白锡会变为灰锡。

14．在一定条件下，对于反应m A(g)＋n B(g)c C(g)＋d D(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<0 ΔS>0
B．ΔH>0 ΔS<0
C．ΔH>0 ΔS>0
D．ΔH<0 ΔS<0
答案 A
解析当T不变时，压强越大，C%越低，说明加压平衡左移，则m＋n<c＋d，所以ΔS>0；温度越高，C%越低，说明升温，平衡左移，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，ΔH<0。

15．某化学兴趣小组专门研究了氧族元素及其某些化合物的部分性质，所查资料信息如下：
①酸性：H2SO4>H2SeO4>H2TeO4
②氧、硫、硒与氢气化合越来越难，碲与氢气不能直接化合
③由某元素的单质生成等物质的量的氢化物的焓变情况如图所示。

请回答下列问题：
(1)H2与S化合的反应________热量(填“放出”或“吸收”)。

(2)已知H 2Te 分解反应的ΔS >0，请解释为什么Te 和H 2不能直接化合：______________。

(3)上述资料信息中能够说明硫元素的非金属性强于硒元素的是________(填序号)。

答案 (1)放出
(2)因为化合时ΔH >0，ΔS <0，故反应不能自发进行
(3)①②③
解析 (1)由图示可知H 2与硫化合的反应ΔH <0，故为放热反应。

(2)由图示可知H 2与Te 化合的反应ΔH >0，H 2Te 分解时ΔS >0，则化合生成H 2Te 的ΔS <0，即ΔH －T ΔS >0，故反应不能自发进行。

[拓展探究]
16．工业上用赤铁矿生产铁，可以选择的还原剂有C 和H 2。

根据所学知识判断：哪一种还原剂可使反应自发进行的温度较低？
已知：Fe 2O 3(s)＋32C(s)===2Fe(s)＋32
CO 2(g) ΔH ＝233.8 kJ·mol －1，ΔS ＝0.279 kJ·mol －1·K －1
Fe 2O 3(s)＋3H 2(g)===2Fe(s)＋3H 2O(g)
ΔH ＝98 kJ·mol －1，ΔS ＝0.144 2 kJ·mol －1·K －1
答案 用H 2作还原剂时反应自发进行的温度较低。

解析 根据ΔH －T ΔS ＝0为平衡状态，ΔH －T ΔS ＜0为自发状态，故T ＞ΔH ΔS
时该反应能自发进行。

用C 作还原剂时T 1＞ΔH ΔS ＝233.8 kJ·mol －10.279 kJ·mol －1·K
－1＝838.0 K ；用H 2作还原剂时T 2＞ΔH ΔS ＝98 kJ·mol －10.144 2 kJ·mol －1·K －1＝679.6 K 。

故用H 2作还原剂时，反应自发进行的温度较低。