2020高中化学 化学反应进行的方向知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 化学反应进行的方向知识讲解学案 新人教版选修4

化学反应进行的方向 ‎【学习目标】‎ ‎1、了解放热反应的自发性和某些吸热过程的自发性；‎ ‎2、能用焓变和熵变判断化学反应的方向。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、自发过程与自发反应 ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ ‎ 1、自发过程 ‎ ①含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自发进行的过程。‎ ‎ ②分类 过程 不需借助外力 需借助外力 自发过程 非自发过程 ‎ ③特点 ‎ a．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）。‎ ‎ b．在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向。‎ ‎ ④实例 ‎ a．自然界中，水由高处往低处流，而不会自动从低处往高处流。‎ ‎ b．物理学中，电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动。‎ ‎ c．日常生活中，气温升高，冰雪自动融化。‎ ‎ 2、自发反应 ‎ 在给定的条件下，可以自发进行到显著程度的反应。‎ ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ ‎ 3、自发过程和自发反应的特点 ‎ ①具有方向性，如果某个方向的反应在一定条件下是自发的，则其逆方向的反应在该条件下肯定不自发，如铁器暴露于潮湿的空气中会生锈是自发的，而铁锈变为铁在该条件下肯定不是自发的。‎ ‎ ②要想使非自发过程发生，则必须对它做功，如利用水泵可使水从低处升到高处，通电可将水分解生成氢气和氧气。‎ ‎ 4、自发过程和自发反应的应用 ‎ 自发过程和自发反应可被利用来完成有用功。如向下流动的水可推动机器，甲烷可在内燃机中被用来做功，锌与CuSO4溶液的反应可被设计成原电池，可根据氢气的燃烧反应设计成燃料电池等。‎ ‎ 要点诠释：过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。‎ ‎ 如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。‎ 要点二、化学反应进行方向的判据 ‎ 1、焓判据 ‎ ①概念：体系总是趋向于从高能状态转化为低能状态（这时体系往往会对外部做功或释放能量），该判据又称能量判据。‎ ‎ ②应用：由焓判据知，放热过程（ΔH＜0）常常是容易自发进行的。‎ ‎ ③焓判据的局限性 ‎ 2N2O5 (g)==4NO2 (g)+O2 (g) ΔH=+56.7 kJ·mol－1‎ ‎ (NH4)2CO3 (s)==NH4HCO3 (s)+NH‎3 ‎(g) ΔH=+74.9 kJ·mol－1‎ ‎ 以上两个反应都是吸热反应，但是也可以自发进行。因此焓变是影响反应自发进行的因素，但不是唯一因素。‎ ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ 6‎ ‎ 2、熵判据 ‎ ①熵 ‎ a．概念：表示体系的不规则或无序状态程度的物理量，熵的符号为S，单位J/(mol·K)。‎ ‎ b．实质：用来描述体系的“混乱度”，是物质的一个状态函数，熵值越大，体系的混乱度越大。‎ ‎ c．影响熵大小的因素 ‎ Ⅰ．同一条件下，不同的物质熵值不同。‎ ‎ Ⅱ．同一物质的熵与其聚集状态及外界条件有关。一般地，对同一物质而言：S (g)＞S (1)＞S (s)。‎ ‎ ②熵判据 ‎ a．熵增原理 ‎ 在与外界隔离的体系中，自发过程的体系趋向于由有序转变为无序，导致体系的熵增大，这一经验规律叫做熵增原理。在用来判断过程的方向时，就称为熵判据。‎ ‎ b．应用：由熵判据知，熵增（ΔS＞0）的过程常常是自发进行的。‎ ‎ c．局限性 ‎ 少数熵减小的过程，在一定条件下也可以自发进行。如‎-‎‎10℃‎的液态水会自动结冰成为固态，就是熵减的过程（但它是放热的）；2Al (s)+Fe2O3 (s)==Al2O3 (s)+2Fe (s) ΔS=－39.35 J/(mol·K)，该反应是熵减过程，但在高温时能自发进行。‎ ‎ 熵变是影响反应自发进行的又一个因素，但也不是唯一因素。‎ 要点三、决定和影响化学反应进行方向的因素 ‎ 1、化学反应的方向与焓变的关系 ‎ ①多数能自发进行的反应是放热反应。‎ ‎ 例如：在常温、常压下，氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁的反应是自发的，反应放热。4Fe(OH)2 (s)+2H2O (1)+O2 (g)==4Fe(OH)3 (s) ΔH=－444.3 kJ/mol ‎ ②有些吸热反应也能自发进行。‎ ‎ 例如：NH4HCO3 (s)+CH3COOH (aq)==CO2 (g)+CH3COONH4 (aq)+H2O (1) ΔH=+37.30 kJ/mol ‎ ③有一些吸热反应在室温条件下不能自发进行，但在较高温度下则能自发进行。‎ ‎ 例如：在室温下和较高温度下均为吸热过程的CaCO3的分解反应。‎ ‎ CaCO3 (s)==CaO (s)+CO2 (g)‎ ‎ ΔH（298 K）=+178.2 kJ/mol ‎ ΔH（1200 K）=+176.5 kJ/mol ‎ 2、化学反应的方向与熵变的关系 ‎ 反应的熵变ΔS为产物总熵与反应物总熵之差。对于确定的化学反应，在一定条件下具有确定的熵变。‎ ‎ ①许多熵增加的反应在常温、常压下可以自发进行。产生气体的反应、气体物质的物质的量增大的反应，熵变通常都是正值，为熵增加的反应。‎ ‎ 例如：2H2O2 (aq)==2H2O (1)+O2 (g)‎ ‎ ②有些熵增加的反应在常温、常压下不能自发进行，但在较高温度下可以自发进行。‎ ‎ 例如：CaCO3 (s)CaO (s)+CO2 (g)‎ ‎ C (s)+H2O (g)CO (g)+H2 (g)‎ ‎ ③铝热反应是熵减小的反应，它在一定条件下也可以自发进行。‎ ‎ 2Al (s)+Fe2O3 (s)==Al2O3 (s)+2Fe (s)‎ ‎ 任何反应体系都有趋向于从高能状态转变为低能状态和从有序自发地转变为无序的倾向。因此影响和决定化学反应进行方向的因素是焓变和熵变。‎ 要点四、复合判据 6‎ ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ ‎ 1、复合判据（自由能判据）‎ ‎ 在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔG=ΔH－TΔS＜0的方向进行，直到达平衡状态。‎ ‎ 2、复合判据与反应能否自发进行的关系 ‎ ΔG=ΔH－TΔS＜0反应能自发进行 ‎ ΔG=ΔH－TΔS=0反应达到化学平衡状态 ΔG=ΔH－TΔS＞0反应不能自发进行 ‎3、应用 ‎ ‎ ‎ （4）理解复合判据应注意以下四点：‎ ‎ ①焓变与熵变共同影响一个化学反应在一定条件下能否自发进行。‎ ‎ ②焓和熵的变化都只取决于体系的始态和终态，与变化的途径无关。‎ ‎ ③反应方向的判断与反应条件有关，不能随意将常温、常压下的结论用于其他温度、压强下的反应。‎ ‎ ④反应发生的条件有多种，ΔH－TΔS这个判据只能用于温度、压强一定的条件下的反应，不能用于其他条件（如温度、体积一定）下的反应。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一、自发过程与自发反应 ‎ 例1 下列过程属于非自发过程的是（ ）‎ ‎ A．水由高处向低处流 ‎ B．室温下水结成冰 ‎ C．气体从高密度处向低密度处扩散 ‎ D．煤气的燃烧 ‎ 【答案】B ‎ 【解析】自然界中水由高处向低处流、煤气的燃烧、气体从高密度处向低密度处扩散、室温下冰的融化都是自发过程，其逆向过程都是非自发的。‎ ‎ 例2 过程的自发性的作用是（ ）‎ ‎ A．判断过程的方向 B．确定过程是否一定会发生 ‎ C．判断过程发生的速率 D．判断过程的热效应 ‎ 【答案】A ‎ 【解析】大量事实告诉我们，过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。所以A正确，B、C不正确。放热反应常常是自发进行的过程，但是有些吸热反应也能自发进行，D不正确。‎ 举一反三：‎ ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ ‎ 【变式1】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 6‎ ‎ 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 ‎ 【变式2】下列过程放出热量的是（ ）‎ ‎ A．H2—→2H B．C (s)+CO‎2 ‎(g) 2CO (g)‎ ‎ C．C+O2CO2 D．硝酸铵溶于水 ‎ 【答案】C ‎ 【解析】A项，破坏化学键要吸收能量。B项，C+CO22CO，此反应是吸热反应。C项，任何燃烧反应都是放热反应。D项，NH4NO3溶于水要吸热。‎ ‎ 【变式3】下列不属于自发过程的是（ ）‎ ‎ A．铁生锈 B．NaCl溶于水后的扩散 ‎ C．Zn与CuSO4溶液反应 D．石墨转化为金刚石 ‎ 【答案】D ‎ 【解析】金刚石转化为石墨是放热反应，根据化学反应的能量判据可知，金刚石转化为石墨是自发进行的，而石墨转化为金刚石则不属于自发过程。‎ 类型二、化学反应进行方向的判据 ‎ 例3 以下自发反应可用焓判据来解释的是（ ）‎ A．硝酸铵自发地溶于水 ‎ B．2N2O5 (g)==4NO2 (g)+O2 (g) ΔH=+56.7 kJ/mol C．(NH4)2CO3 (s)==NH4HCO3 (s)+NH3 (g) ΔH=+74.9 kJ/mol ‎ D．2H2 (g)+O2 (g)==2H2O (1) ΔH=－571.6 kJ/mol ‎ 【答案】D ‎ 【解析】焓判据能够说明放热反应为自发反应，而A、B、C三个自发过程均为吸热过程，显然不能单用焓判据来解释。只有D项可以用焓判据解释。‎ ‎ 例4 下列反应中，熵减小的是（ ）‎ ‎ A．2HI (g)==H2 (g)+I2 (g)‎ ‎ B．NH4NO3爆炸：2NH4NO3 (s)==2N2 (g)+4H2O (g)+O2 (g)‎ ‎ C．2O3 (g)==3O2 (g)‎ D．4NH3 (g)+5O2 (g)==4NO (g)+6H2O (1)‎ ‎ 【答案】D ‎ 【解析】化学反应中，气体物质的量增加的反应方向为熵增加的方向，反之为熵减小的方向，所以可认为A项的熵不变，B、C项的熵增加，D项的熵减小。‎ ‎ 例5 能用能量判据判断下列过程方向的是（ ）‎ ‎ A．水总是自发地由高处往低处流 ‎ B．放热反应容易自发进行，吸热反应不能自发进行 ‎ C．有序排列的火柴散落时成为无序排列，‎ ‎ D．多次洗牌以后，扑克牌毫无规律的混乱排列的几率大 ‎ 【答案】A 6‎ ‎ 【解析】A项，水总是自发地由高处往低处流，有趋向于最低能量状态的倾向：B项，有些吸热反应也可以自发进行，例如，在‎25℃‎和1.01×105 Pa时，2N2O5 (g)==4NO2 (g)+O2 (g) ΔH=+56.7 kJ/mol，(NH4)2CO3 (s)==NH4HCO3 (s)+NH3 (g) ΔH=+74.9 kJ/mol，不难看出上述两个反应都是吸热反应，又都是熵增大的反应，显然只根据焓变来判断反应进行的方向是不全面的。C项，有序排列的火柴散落时成为无序排列，有趋向于最大混乱度的倾向，属于熵判据。D项，扑克牌的无序排列也属于熵判据。‎ 举一反三：‎ ‎【高清课堂：化学反应也有奋斗目标-化学反应进行的方向】‎ ‎ 【变式1】已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为：‎ C (s，石墨)+O2 (g)==CO2 (g) ΔH=－393.5 kJ/mol ‎ C (s，金刚石)+O2 (g)==CO2 (g) ΔH=－395.4 kJ/mol 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进行的过程 ‎ B．金刚石转化成石墨是自发进行的过程 ‎ C．石墨比金刚石能量低 ‎ D．金刚石比石墨能量低 ‎ 【答案】BC ‎ 【解析】由热化学方程式可知，石墨比金刚石能量低，1 mol石墨转化为1 mol金刚石吸收1.9 kJ的热量，金刚石转化为石墨是放热反应，根据化学反应的能量判据可知该反应可以自发进行。所以BC正确。‎ ‎ 【变式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=+185.57 kJ/mol，反应能自发进行，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 ‎ 【答案】B ‎ 【解析】正确解答本题，首先要明确焓判据和熵判据对化学反应方向的影响，然后利用复合判据（自由能变化）进行综合分析判断，同时要注意催化剂在化学反应中的作用。A项错误，有些能使熵值增大的吸热反应也可以自发进行；C项错误，应将二者综合起来即利用复合判据进行判断；D项错误，催化剂只能降低反应的活化能而改变化学反应速率，不能改变反应的方向。‎ 类型三、复合判据 ‎ 例6 1867年的冬天，俄国彼得堡海军仓库里发生了一件怪事：堆在仓库内的大批锡砖，一夜之间突然不翼而飞，留下来的却是一堆堆像泥土一样的灰色粉末。锡有两种形态——白锡和灰锡。灰锡结构松散，不能用来制造器皿；而白锡结构坚固，可以用来制造器皿。现把白锡制成的器皿放在‎0℃‎、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用[已知在‎0℃‎、100 kPa条件下白锡→灰锡反应的焓变和熵变分别为ΔH=－2180.9 J/mol，ΔS=－6.61 J/(mol·K)（ ）‎ ‎ A．会 B．不会 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，直至达到平衡态。因此，在‎0℃‎、100 kPa条件下，白锡会不会变为灰锡的问题就转化为求算白锡→灰锡反应的ΔH－TΔS值的问题。ΔH－TΔS=－2180.9 J/mol－273 K×[－6.61 J/(mol·K)]=－376.37 J/mol＜0，因此在该条件下白锡会变灰锡。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】已知在100 kPa、298.15 K时石灰石发生分解反应：CaCO3 (s)==CaO (s)+CO2 (g) ΔH=+178.3 kJ/mol，‎ 6‎ ΔS=+160．4 J/（mol·K），试判断反应的自发性及自发进行的最低温度。‎ ‎ 【答案】在100 kPa、298.15 K时，石灰石的分解反应为非自发反应，自发进行分解的最低温度为1112 K。‎ ‎ 【解析】ΔH－TΔS=+178.3 kJ/mol－298.15 K×[+160.4×10－3 kJ/(mol·K)=+130.5 kJ/mol＞0，。‎ 6‎