1、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 一、反应焓变与反应方向 1.自发过程与自发反应 必备知识素养奠基 自发过程 自发反应 含义 在温度和压强一定的条件下,_就能自动进 行的过程 在给定的一组条件下,可以_ 进行到显著程度的化学反应 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_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 不用借助外力作用 自发 不能自发进行 2.反应焓变与反应方向的关系(1)二者关系 (2)结
2、论 反应的焓变是反应能否_进行的影响因素,但不是唯一因素。自发【巧判断】(1)焓变 H0的反应,一定不能自发进行。()提示:。有些吸热反应在一定条件下也能自发进行。(2)能够自发进行的反应不一定都是放热反应。()提示:。有些吸热反应也能够自发进行。二、反应熵变与反应方向 1.熵:(1)概念:描述体系_的一个物理量,符号为S,单位是_。(2)特点:混乱度越大,体系越无序,体系的熵值就_。(3)熵值大小的比较:混乱度 Jmol-1K-1 越大 2.反应熵变:3.反应熵变与反应方向:(1)二者关系。(2)结论:_是与反应能否自发进行有关的一个因素,但不是唯一因素。熵变【巧判断】(1)O2转化变为O3
3、时,熵增加。()提示:。O2转化变为O3的化学方程式为3O2=2O3,气体的系数减小,故体系 的熵减少。(2)同种物质气态时熵值最大。()提示:。同种物质的三态的熵大小顺序为气态液态固态。【情境思考】化肥碳铵(NH4HCO3)可以促进植物茎叶茂盛、叶色浓绿。碳铵(NH4HCO3)在室温下就能自发地分解产生氨气,从熵变的角度分析原因。提示:碳铵(NH4HCO3)分解的化学方程式为NH4HCO3=NH3+CO2+H2O,这是一个气体体积增大的化学反应,因此是一个熵增过程,而熵增有利于反应的自发进行。三、用焓变和熵变综合判断反应方向 1.反应方向的判据:在_和_一定的条件下,化学反应的方向是反应的
4、焓变和熵变共同影响的结果。反应的判据为_。H-T S 温度 压强 2.文字表述:在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向_的方向进行,直至达 到平衡状态。3.局限性:(1)只能用于一定温度、压强条件下的反应,不能用于其他条件下的反应。(2)仅仅可以用于判断温度、压强一定的条件下反应_,不能说 明反应在该条件下能否_。H-T S0 自动发生的趋势 实际发生【巧判断】(1)自发反应一定很容易发生。()提示:。反应的自发进行与反应能否容易发生没有必然的联系。(2)合成氨反应N2+3H2 2NH3 H0,高温有利于其自发进行。()提示:。此反应气体的体积减小,即 S0,而此反应 H0,故要使 H-T
5、S0成立,T应较小,即低温有利于反应的进行。(3)能自发进行的反应不一定真的能发生。()提示:。反应的自发性只是表明反应进行的趋势,至于能否发生取决于反应 的条件等诸多因素。关键能力素养形成 知识点 化学反应方向的判断【重点释疑】1.判据:H-T S:在一定条件下,一个化学反应能否自发进行受焓变和熵变的共同影响。H-T S是温度、压强一定的条件下判断反应能否自发进行的判据。(1)内容 在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向 H-T S0的方向进行,至达到平衡状态。具体如下:(2)温度对反应方向的影响 2.对化学反应方向判据的讨论:(1)在温度、压强一定的条件下,熵增加的放热反应(即 H0)一
6、定能自 发进行,因为此时 H-T S恒小于零。如2KClO3(s)=2KCl(s)+3O2(g)H=-78.03 kJmol-1,S=494.4 Jmol-1K-1。(2)在温度、压强一定的条件下,吸热且熵减小的反应(即 H0,S0)一定不 能自发进行,因为此时 H-T S恒大于零。如CO(g)=C(s,石墨)+O2(g)H=110.5 kJmol-1,S=-89.4 Jmol-1K-1。12(3)当焓变和熵变的影响相反时,如果二者大小相差悬殊,可能某一种因素占主导地位。可能是焓变起决定性作用,大多数放热反应是自发反应;可能是熵变起决定性作用,部分熵增加的反应是自发反应。(4)当焓变与熵变的影
7、响相反且相差不大时,温度有可能对反应的方向起决定性作用。【思考讨论】H-T S判据是否适用于任何条件下的反应?提示:H-T S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。【案例示范】【典例】(2020青岛高二检测)已知在100 kPa、298.15 K时,石灰石发生分解反应:CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)H=+178.3 kJmol-1 S=160.4 Jmol-1K-1,则(1)该反应_(填“能”或“不能”)自发进行。(2)根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
8、进行的最低温度为_。【解题指南】解答本题时应注意以下两点:(1)H-T S0,所以该反应不能自发进行。(2)因为该反应H0、S0,所以根据H-TS可知,在温度较高的时候,可 能小于0。(3)根据H-TS 1 111.6 K。答案:(1)不能 (2)能(3)1 111.6 K HS【易错提醒】(1)焓和熵的变化只取决于体系的始态和终态,与变化的途径无关。(2)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。【迁移应用】(2020南平高二检测)下列反应中,一定不能自发进行的是()
9、A.2KClO3(s)=2KCl(s)+3O2(g)H=-78.03 kJmol-1 S=1 110 Jmol-1K-1 B.CO(g)=C(s,石墨)+O2(g)H=110.5 kJmol-1 S=-89.36 Jmol-1K-1 12C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s)H=-444.3 kJmol-1 S=-280.1 Jmol-1K-1 D.NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l)H=37.301 kJmol-1 S=184.05 Jmol-1K-1【解析】选B。A项为放热的熵增加反应,
10、在任何温度下都有 H-T S0,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 H-T S0,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 H-T S0,H-T S0 B.H0 C.H0,H-T S0 D.H0,H-T S0 【解析】选A。某温度下反应自发向右进行,说明 H-T S0,所以选A项。2.(2020淄博高二检测)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 H、S应为()A.H0,S0 B.H0,S0 C.H0 D.H0,S0【解析】选D。该反应是一个气体物质的量增大的反应,即 S0,故其
11、逆反应 S0;又知其逆反应在低温下能自发进行,可知其逆反应的 H0。3.(2020潮州高二检测)已知反应:Te(s)+H2(g)=H2Te(g)的 H为正 值,S为负值,设 H与 S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【解析】选D。由 知 H-T S0,且随温度的升高而增大。H0S0【素养提升】对于一个化学反应,判断其自发进行的方向问题是研究此反应的首要任务,只有确定了反应自发进行的方向,才有研究其他问题的意义。(1)在冶金工业中,常以焦炭(C)作为还原剂。已知298 K下反应2A
12、l2O3(s)+3C(s)=4Al(s)+3CO2(g)H=+2171.0 kJmol-1,S=+635.5 Jmol-1K-1,判断此反应在室温(20)下能否自发进行,并计算此反应自发进行的最低温度。提示:在室温(20)时 H-T S=217 1.0 kJmol-1-0.6 355 kJmol-1K-1293 K=1 984.8 kJmol-10,因此在室温下此反应不能自发进行。若要使本反应自发进行,需使 H-T S0,即 2 171.0 kJmol-1-0.635 5 kJmol-1K-1T341 6.2 K时反应才可以自发进行,因此此反应自发进行的最低温度为3 416.2 K。用焦炭作还
13、原剂冶炼金属锡的反应方程式为SnO2(s)+2C(s)=Sn(s)+2CO(g),反应过程中能量的变化如图所示。判断此反应是在低温下还是在高温下自发进行?提示:高温下能自发进行。因为根据图象可知生成物的能量高于反应物的总能量,所以正反应是吸热反应,则 H0;根据方程式可知正反应是气体体积增大的反应,所以 S0,所以要使 H-T S0,需要较高的温度。(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+2CO 2CO2+N2。已知反应在常温下能够自发进行,判断此反应是放热反应还是吸热反 应。提示:放热反
14、应。因为此反应常温下能够自发进行,即在常温下 H-T S0,此反应为气体体积减小的反应,即反应的 S0,所以要使常温下 H-T S0必有 HS(l)S(s)。一般地,有气体生成且气体分子数增加的反应是熵增大的反应。B中有气体生成,故熵增大。A、D中气体分子数减少,C中气体分子数不变。4.(2020开封高二检测)下列有关化学反应方向及其判据的说法中错误的是 ()A.1 mol H2O在不同状态时的熵值:SH2O(s)0 能否自发进行与温度有关 D.常温下,反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)不能自发进行,则该反应的 H0【解析】选B。相同物质的量的同种物质在不同状态下的熵值,固态最小,气态最
15、大,所以1 mol H2O在不同状态时的熵值SH2O(s)0 能否自发进行与温度有关,因为其 S0,其在高温下可以自发进行,C正确;常温下,反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)不能自发进行,因为其 S0具备自发进行的条件,若其 H0,D正确。5.(新思维新考向)高炉炼铁是目前世界上最主要的炼铁方法,常用焦炭还原 Fe2O3,而目前最主要的炼铝方法是电解Al2O3和冰晶石的熔融物。已知298 K时Fe2O3(s)+C(s)=2Fe(s)+CO2(g)H=+233.8 kJmol-1,S=+0.279 kJmol-1K-1 2Al2O3(s)+3C(s)=4Al(s)+3CO2(g)H=+2
16、171 kJmol-1,S=+635.5 Jmol-1K-1 试从热力学角度分析两种金属冶炼方法不同的原因。3232【解析】根据反应能否自发进行的综合判据分析可知T 时该反应能自发 进行。用焦炭作还原剂还原Fe2O3时,若使反应自发进行,则需要的温度T1 838.0 K;若用焦炭作还原剂还原Al2O3时需要的温度T2 3 416 K。对比上述温度可知,用焦炭还原Al2O3是不 可能实现的,故两种金属冶炼方法有差别。答案:用焦炭还原Al2O3所需温度太高,是不可能实现的,而用焦炭还原Fe2O3则可 以实现。HS111H233.8 kJ molS0.279 kJ molK1311H2 171 kJ molS635.5 10 kJ molK
