基礎(chǔ)課時12化學(xué)反應(yīng)的方向?qū)W習(xí)目標(biāo)1.了解自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng)的主要特點(diǎn)，了解焓判據(jù)、熵判據(jù)的含義。2.會用焓變和熵變判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。化學(xué)反應(yīng)的方向(一)知識梳理1.自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng)(1)自然界有一些過程是自發(fā)進(jìn)行的，而且是有方向性的。如水由高處流向低處。(2)有些化學(xué)反應(yīng)也是自發(fā)進(jìn)行的，而且有方向性。2.化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性與反應(yīng)焓變的關(guān)系(1)多數(shù)放熱反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的，且反應(yīng)放出的熱量越多，體系能量降低得也越多，反應(yīng)越完全。(2)有些吸熱反應(yīng)也可以自發(fā)進(jìn)行，如：2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ·mol－1。(3)結(jié)論：反應(yīng)的焓變是制約化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的因素之一，但不是唯一因素。3.熵變與反應(yīng)的方向(1)熵和熵變(2)物質(zhì)熵大小的判斷物質(zhì)的存在狀態(tài)：對于同一物質(zhì)，等物質(zhì)的量的該物質(zhì)其熵值大小與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)，氣態(tài)時熵值最大，固態(tài)時熵值最小，液態(tài)時介于二者之間，物質(zhì)的狀態(tài)與熵的大小的關(guān)系：S(g)>S(l)>S(s)。(3)熵判據(jù)：體系有自發(fā)地向混亂度增加(即熵增，ΔS>0)的方向轉(zhuǎn)變的傾向，因此可用熵變來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。(4)熵變與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的關(guān)系許多熵增的反應(yīng)是自發(fā)的(多是氣體分子數(shù)目增多的反應(yīng))，有些熵減的反應(yīng)也可以自發(fā)進(jìn)行，如Ca(OH)2(aq)＋CO2(g)=CaCO3(s)＋H2O(l)，所以只用熵判據(jù)判斷反應(yīng)是否自發(fā)不全面。4.自由能與化學(xué)反應(yīng)的方向(1)自由能：符號為ΔG，單位為kJ/mol。(2)自由能變化與焓變、熵變的關(guān)系：ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不僅與焓變和熵變有關(guān)，還與溫度有關(guān)。(3)反應(yīng)方向與自由能的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)總是向著自由能減小的方向進(jìn)行，直到體系達(dá)到平衡。當(dāng)ΔG<0時，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)ΔG>0時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。(二)問題探究問題1下列判斷不正確的有哪些？分別說明原因。①制備水煤氣的反應(yīng)：C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g)該反應(yīng)的ΔS<0②已知反應(yīng)SiCl4(g)＋2H2(g)eq\o(=,\s\up7(高溫))Si(s)＋4HCl(g)在高溫條件下能發(fā)生，則該反應(yīng)的ΔS<0，且ΔH>0。③一定溫度下，反應(yīng)2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH<0④反應(yīng)4Fe(s)＋3O2(g)=2Fe2O3(s)常溫下可自發(fā)進(jìn)行，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)提示①②④制備水煤氣的反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量增大的反應(yīng)，ΔS>0，①錯誤；工業(yè)制備純硅的反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量增大的反應(yīng)，ΔS>0，且ΔH>0、ΔS<0時反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，②錯誤；③中的化學(xué)反應(yīng)是熵減的反應(yīng)，該反應(yīng)一定溫度下能自發(fā)進(jìn)行，則其ΔH一定小于0，正確；④中的化學(xué)反應(yīng)是熵減的過程，ΔS<0，反應(yīng)常溫下能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH<0，錯誤。問題2在電子工業(yè)中，清洗硅片上的SiO2(s)的反應(yīng)是SiO2(s)＋4HF(aq)=SiF4(g)＋2H2O(g)ΔH(298.15K)＝－94.0kJ/molΔS(298.15K)＝－75.8J/(mol·K)設(shè)ΔH和ΔS不隨溫度變化，則此反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的最高溫度大約為多少K?①1.24×106K②1.24×103K③3.36×103K④2.48×103K提示②根據(jù)題意，要使反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，則ΔG＝ΔH－TΔS<0，即有ΔG＝ΔH－TΔS＝－94.0kJ/mol－T×[－75.8J/(mol·K)×10－3kJ/J]<0，則T<eq\f(94.0kJ/mol,75.8J/（mol·K）×10－3kJ/J)≈1.24×103K?！咎骄繗w納】1.自由能(ΔG)與反應(yīng)進(jìn)行的方向體系的自由能變化(ΔG，kJ/mol)不僅與ΔH、ΔS有關(guān)，還與溫度有關(guān)，其表達(dá)式為ΔG＝ΔH－TΔS。2.溫度對化學(xué)反應(yīng)方向的影響當(dāng)焓變和熵變的作用相反且相差不大時，溫度有可能對反應(yīng)的方向起決定性的作用，溫度與反應(yīng)方向的關(guān)系如圖所示：1.(2024·石家莊正定中學(xué)高二月考)下列說法正確的是()A.能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)一定能迅速發(fā)生B.NH4Cl(s)=NH3(g)＋HCl(g)室溫下不能自發(fā)進(jìn)行，說明該反應(yīng)的ΔH<0C.NH4HCO3(s)=NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH>0，該反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行D.加入合適的催化劑能改變反應(yīng)的焓變，使非自發(fā)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為自發(fā)反應(yīng)答案C解析自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)需要一定的反應(yīng)條件才能進(jìn)行，不一定能實(shí)際發(fā)生，A錯誤；該反應(yīng)是熵值增加的反應(yīng)，ΔS>0，ΔH－TΔS<0，反應(yīng)才能自發(fā)，由于在室溫下不能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH>0，B錯誤；ΔH－TΔS<0，反應(yīng)才能自發(fā)，NH4HCO3(s)=NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH>0，ΔS>0，該反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行，C正確；催化劑通過降低反應(yīng)活化能加快反應(yīng)速率，但不能改變反應(yīng)的焓變，D錯誤。2.下列內(nèi)容與結(jié)論相對應(yīng)的是()選項(xiàng)內(nèi)容結(jié)論AH2O(g)變成H2O(l)ΔS＞0B硝酸銨溶于水可自發(fā)進(jìn)行該過程的ΔS＞0C一個反應(yīng)的ΔH＞0、ΔS＞0反應(yīng)一定不能自發(fā)進(jìn)行DH2(g)＋F2(g)=2HF(g)的ΔH＝－271kJ·mol－1，ΔS＝8J·mol－1·K－1反應(yīng)在任意溫度下都不能自發(fā)進(jìn)行答案B解析物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，體系無序程度減小，即ΔS＜0，A項(xiàng)不正確；硝酸銨溶于水是吸熱的熵增加過程，ΔS＞0，可自發(fā)進(jìn)行，B項(xiàng)正確；一個反應(yīng)的ΔH＞0、ΔS＞0，根據(jù)二者的共同影響可知，高溫時可以使ΔH－TΔS＜0，即高溫條件下，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，C項(xiàng)不正確；由ΔH＜0、ΔS＞0知，ΔH－TΔS＜0，故該反應(yīng)在任意溫度下都能自發(fā)進(jìn)行，D項(xiàng)不正確。3.2NH3(g)N2(g)＋3H2(g)ΔH＝＋90.8kJ·mol－1ΔS＝198.9J·mol－1·K－1，在下列哪些溫度下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行？________(填標(biāo)號)。A.25℃ B.125℃C.225℃ D.325℃答案CD解析在等溫等壓的反應(yīng)中ΔG＝ΔH－TΔS＜0時，正反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，其中ΔH＝＋90.8kJ·mol－1，ΔS＝198.9J·mol－1·K－1，則T＞eq\f(ΔH,ΔS)＝eq\f(90.8×103J/mol,198.9J·mol－1·K－1)≈456.5K＝183.5℃，選項(xiàng)C、D正確?！绢}后歸納】利用自由能公式計(jì)算反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的最低溫度若題目提供了ΔH和ΔS的數(shù)據(jù)，可利用ΔG＝ΔH－TΔS<0，來計(jì)算反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的最低溫度。計(jì)算時要注意以下兩點(diǎn)：(1)給出的ΔH的單位通常為kJ/mol，ΔS的單位通常為J/(mol·K)，進(jìn)行計(jì)算時要將二者的單位統(tǒng)一，即將ΔS的單位換算為kJ/(mol·K)或?qū)ⅵ的單位換算為J/mol，再代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。(2)溫度用絕對溫度K，而不能用℃，其中T＝(273＋t)K。A級合格過關(guān)練選擇題只有1個選項(xiàng)符合題意(一)自發(fā)過程的理解1.下列過程屬于非自發(fā)的是()A.水由高處向低處流B.室溫下水結(jié)成冰C.氣體從高密度處向低密度處擴(kuò)散D.煤氣的燃燒答案B解析B項(xiàng)，室溫下冰的融化是自發(fā)過程，其逆向室溫下水結(jié)成冰是非自發(fā)的。2.下列反應(yīng)或過程沒有自發(fā)性的是()A.高溫下，煅燒石灰石B.常溫下，水分解成氫氣與氧氣C.雙氧水在MnO2催化作用下分解D.常溫下，冰融化為水答案B解析煅燒石灰石的反應(yīng)是一個熵增焓增的反應(yīng)，高溫下可自發(fā)進(jìn)行，A不符合題意；水分解成氫氣與氧氣的反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，在外接電源的作用下電解，B項(xiàng)符合題意；雙氧水在MnO2催化作用下自發(fā)分解，C不符合題意；常溫下，冰融化為水為自發(fā)過程，D不符合題意。(二)焓變、熵變的判斷3.下列詩詞中，包含ΔH>0、ΔS>0的化學(xué)變化的是()A.日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川B.千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑C.春蠶到死絲方，蠟炬成灰淚始干D.美人首飾侯王印，盡是沙中浪底來答案B解析A項(xiàng)，香爐峰在陽光的照射下生起紫色煙霞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望見瀑布似白色絹綢懸掛在山前，由此可見沒有發(fā)生化學(xué)變化；B項(xiàng)，發(fā)生反應(yīng)CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2↑，該反應(yīng)吸熱，氣體物質(zhì)的量增大，ΔH>0、ΔS>0；C項(xiàng)，石蠟燃燒生成二氧化碳和水，石蠟燃燒為放熱反應(yīng)，ΔH<0；D項(xiàng)，黃金是從沙中淘來的，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。4.下列有關(guān)水汽變成雨的過程中焓變和熵變的判斷正確的是()A.ΔH<0，ΔS<0 B.ΔH<0，ΔS>0C.ΔH>0，ΔS>0 D.ΔH>0，ΔS<0答案A解析水汽變成雨的過程中放熱，ΔH<0，氣體變成液體，混亂度減小，ΔS<0。5.關(guān)于反應(yīng)3O2(g)=2O3(g)，反應(yīng)過程中能量的變化如圖所示，下列有關(guān)該反應(yīng)的ΔH、ΔS的說法中正確的是()A.ΔH＜0ΔS＜0 B.ΔH＞0ΔS＜0C.ΔH<0ΔS>0 D.ΔH＞0ΔS＞0答案B解析該反應(yīng)的反應(yīng)物能量比生成物能量低，為吸熱反應(yīng)，ΔH＞0，該反應(yīng)是熵減的反應(yīng)，ΔS＜0，選B。(三)化學(xué)反應(yīng)方向的判斷6.(2024·新鄉(xiāng)高二期中)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向是一個比較復(fù)雜的問題。下列有關(guān)說法正確的是()A.反應(yīng)2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的ΔS>0B.ΔH<0或ΔS>0的反應(yīng)一定能自發(fā)進(jìn)行C.1molH2O在不同狀態(tài)時的熵值：S[H2O(g)]<S[H2O(s)]D.ΔS＞0、ΔH>0的反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行與溫度有關(guān)答案D解析該反應(yīng)為混亂度減小的反應(yīng)，ΔS<0，A錯誤；ΔH－TΔS<0的反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，ΔH<0或ΔS>0的反應(yīng)不一定能自發(fā)進(jìn)行，B錯誤；物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，混亂度增大，熵增大，故S[H2O(g)]>S[H2O(s)]，C錯誤；ΔS＞0、ΔH＞0的反應(yīng)，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行時ΔH－TΔS＜0，即該反應(yīng)在高溫下能自發(fā)進(jìn)行、低溫時不能自發(fā)進(jìn)行，所以該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行與溫度有關(guān)，D正確。7.下列對于化學(xué)反應(yīng)方向說法正確的是()A.常溫下，反應(yīng)C(s)＋CO2(g)=2CO(g)不能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH>0B.4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(g)=4Fe(OH)3(s)的ΔH<0，常溫常壓下能自發(fā)進(jìn)行，對該反應(yīng)的方向起決定作用的是溫度C.反應(yīng)2Mg(s)＋CO2(g)=C(s)＋2MgO(s)在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH>0D.一定溫度下，反應(yīng)2NaCl(s)=2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH<0，ΔS>0答案B解析反應(yīng)的ΔS＞0，常溫下反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，則ΔH＜0或＞0，A錯誤；該反應(yīng)為熵減的反應(yīng)，ΔH<0，常溫常壓下能自發(fā)進(jìn)行，故對該反應(yīng)的方向起決定作用的是溫度，B正確；反應(yīng)的ΔS＜0，由ΔG＝ΔH－T·ΔS＜0時，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行可知，ΔH＜0，C錯誤；反應(yīng)的ΔS＞0，ΔH＞0，D錯誤。8.(2024·六安一中高二期中)二氧化碳的捕捉與封存是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的重要途徑之一，也是未來實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)。一些科學(xué)家利用太陽能加熱反應(yīng)器來“捕捉”空氣中的CO2(如圖所示)。下列說法中正確的是()A.步驟一中生成CaCO3的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)B.步驟一中反應(yīng)的ΔS>0C.步驟一與步驟二中的反應(yīng)互為可逆反應(yīng)D.步驟二的反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，與溫度有關(guān)答案D解析CaO和CO2反應(yīng)為放熱反應(yīng)，A錯誤；步驟一中反應(yīng)為CaO和CO2化合生成CaCO3為熵減的反應(yīng)，ΔS<0，B錯誤；步驟一和步驟二的條件不同，所以不互為可逆反應(yīng)，C錯誤；步驟二的反應(yīng)CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaO＋CO2為熵增的吸熱反應(yīng)，若要使ΔG＝ΔH－TΔS<0，則高溫有利于自發(fā)進(jìn)行，D正確。9.以下化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物是否可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)產(chǎn)物？請予以判斷并寫出你的判斷依據(jù)(反應(yīng)均在298K、100kPa下進(jìn)行)(1)2C(s)＋O2(g)2CO(g)ΔH＜0________(填“可以”“不可以”或“無法判斷”)。判斷依據(jù)是__________________________________________。(2)Cu2O＋eq\f(1,2)O2(g)=2CuO(s)ΔH＜0________(填“可以”“不可以”或“無法判斷”)。判斷依據(jù)是________________________________________________________________________________________________。答案(1)可以該反應(yīng)是一個熵增、放熱的反應(yīng)，根據(jù)復(fù)合判斷得出ΔH－TΔS＜0，所以能夠自發(fā)轉(zhuǎn)變(2)無法判斷該反應(yīng)是一個熵減的放熱反應(yīng)，能否自發(fā)需要根據(jù)具體溫度來判斷解析(1)該反應(yīng)ΔS＞0，ΔH＜0，所以ΔH－TΔS＜0，所以在任何條件下都可以自發(fā)進(jìn)行；(2)該反應(yīng)ΔS＜0，ΔH＜0，所以ΔH－TΔS大小取決于溫度，故無法判斷是否能自發(fā)進(jìn)行。B級素養(yǎng)培優(yōu)練10.在一定條件下，對于反應(yīng)mA(g)＋nB(g)cC(g)＋dD(g)，C物質(zhì)的濃度(C%)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，下列判斷正確的是()A.ΔH<0ΔS>0 B.ΔH>0ΔS<0C.ΔH>0ΔS>0 D.ΔH<0ΔS<0答案A解析由曲線圖可知，增大壓強(qiáng)，C%減少，即增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動，所以逆反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，即m＋n<c＋d；升高溫度C%減少，即升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，即正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。11.在圖Ⅰ中A、B兩容器里，分別收集著兩種互不作用的理想氣體。若將中間活塞打開，如圖Ⅰ，兩種氣體分子立即都占有了兩個容器。這是一個不伴隨能量變化的自發(fā)過程。關(guān)于此過程的下列說法不正確的是()A.此過程是從混亂程度小的狀態(tài)向混亂程度大的狀態(tài)變化過程，即熵增大的過程B.此過程為自發(fā)過程，而且沒有熱量的吸收或放出C.此過程是自發(fā)可逆的D.此過程從有序到無序，混亂度增大答案C解析氣體擴(kuò)散過程是熵增加的過程，A、D正確；該過程不伴隨能量變化，B正確；兩種氣體混合后，不會再自發(fā)地分開，所以逆過程不能自發(fā)進(jìn)行，C不正確。12.根據(jù)下列圖示所得結(jié)論正確的是()A.圖甲是I2＋I(xiàn)－Ieq\o\al(－,3)中Ieq\o\al(－,3)的平衡濃度隨溫度變化的曲線，說明平衡常數(shù)K(T1)<K(T2)B.圖乙是鎂條與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率隨時間變化的曲線，說明t1時刻溶液的溫度最高C.圖丙中已知反應(yīng)：mA(g)nB(g)＋pC(g)ΔH＝akJ·mol－1(c表示A的濃度)，則可推斷：T1、T3均未達(dá)平衡狀態(tài)D.圖丁中已知反應(yīng)aA(g)＋bB(g)cC(g)[α(A)表示平衡轉(zhuǎn)化率]；若T1>T2，則該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行答案D解析分析圖像，溫度升高，Ieq\o\al(－,3)的平衡濃度越小，說明平衡逆向移動，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則溫度高，平衡常數(shù)小，則K(T1)>K(T2)，A錯誤；反應(yīng)速率受鹽酸的濃度、溫度、接觸面積等多個因素影響，速率最大時，不一定溫度最高，B錯誤；由圖可知，反應(yīng)正向建立平衡，達(dá)平衡前A的濃度減小，故T2時反應(yīng)達(dá)到平衡，溫度升高，平衡逆向移動，A的濃度增大，故T3時反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，C錯誤；根據(jù)圖可知，增大壓強(qiáng)，A的轉(zhuǎn)化率不變，說明反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)之和相等，則a＋b＝c，反應(yīng)前后熵不變。若T1>T2，升高溫度，A的轉(zhuǎn)化率降低，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則焓變小于0，所以ΔG＝ΔH－TΔS<0，該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，D正確。13.(2024·天津一中高二期中改編)下列反應(yīng)及其自由能與溫度的關(guān)系如下圖所示：Ⅰ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH1＝－116kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41kJ·mol－1Ⅲ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH3下列說法錯誤的是()A.反應(yīng)Ⅱ在T<427K時，能自發(fā)進(jìn)行B.相同溫度下，ΔG(Ⅰ)<ΔG(Ⅱ)的主要原因可能是ΔH1<ΔH2C.ΔH3＝－75kJ·mol－1D.400K時，平衡常數(shù)K(Ⅲ)＝K(Ⅰ)－K(Ⅱ)答案D解析根據(jù)自發(fā)進(jìn)行判據(jù)ΔG＝ΔH－TΔS<0，反應(yīng)Ⅱ在T<427K時ΔG<0，能自發(fā)進(jìn)行，A正確；ΔS一般均很小，而反應(yīng)Ⅰ的ΔS<0，相同溫度下ΔG(Ⅰ)<ΔG(Ⅱ)的主要原因可能是ΔH1<ΔH2，B正確；根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅰ－反應(yīng)Ⅱ可得反應(yīng)Ⅲ，ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－116kJ/mol＋41kJ/mol＝－75kJ/mol，C正確；反應(yīng)Ⅰ－反應(yīng)Ⅱ可得反應(yīng)Ⅲ，兩式相減則平衡常數(shù)相除，則平衡常數(shù)K(Ⅲ)＝eq\f(K（Ⅰ）,K（Ⅱ）)，D錯誤。14.室溫下，某溶液初始時僅溶有M和N且濃度相等，同時發(fā)生以下兩個反應(yīng)：①M(fèi)＋N=X＋Y；②M＋N=X＋Z。反應(yīng)體系中組分M、Z的濃度隨時間變化情況如圖所示。(1)0～30min時間段內(nèi)，Y的平均反應(yīng)速率為________。(2)其中，反應(yīng)①的速率可以表示為v1＝k1c2(M)