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第四节化学反应进行的方向一、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,_____________就能自发进行的过程在给定的条件下,可以_____进行到显著程度的化学反应特征具有_______,即过程的某个方向在一定条件下自发进行,而该过程逆方向在该条件下肯定_____________不需借助外力自发方向性不能自发进行自发过程自发反应举例高山流水,自由落体,冰雪融化钢铁生锈应用(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O2二、化学反应进行方向的判据1.焓判据:(1)含义。(2)应用。由焓判据可知:_____反应具有自发进行的倾向。(3)局限性。例如,2N2O5(g)====4NO2(g)+O2(g)ΔH0,即有些_____反应也可自发进行。放热吸热2.熵判据:(1)熵。①含义:熵是量度体系_____(或有序)程度的物理量。②符号及单位:符号:__,单位:____________。混乱SJ·mol-1·K-1③规律:(2)熵判据。①含义。②应用。由熵判据可知:_____的反应具有自发进行的倾向。③局限性。例如,-10℃的液态水会自动结冰成固态,即有些_____的反应也可自发进行。熵增熵减3.复合判据:综合考虑_______和_______的复合判据,更适合所有的反应,只根据一个方面判断化学反应进行的方向是不全面的。焓判据熵判据【自主检测】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】选D。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。2.水的三态的熵值的大小关系正确的是()A.S(s)S(l)S(g)B.S(l)S(s)S(g)C.S(g)S(l)S(s)D.S(g)S(s)S(l)【解析】选C。熵是量度体系混乱(或有序)程度的物理量。同一物质,S(g)S(l)S(s)。3.水结冰的过程的焓变和熵变正确的是()A.ΔH0,ΔS0B.ΔH0,ΔS0C.ΔH0,ΔS0D.ΔH0,ΔS0【解析】选D。H2O(l)→H2O(s)为ΔS0的放热(ΔH0)过程。4.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】选B。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;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,D项错误。5.下列说法完全正确的是()A.自发进行的反应均是ΔH0的反应B.ΔS为正值的反应均能自发进行C.物质的量增加的反应,ΔS为正值D.CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)ΔS0【解析】选D。有些吸热反应也可以自发进行,如(NH4)2CO3(s)====NH4HCO3(s)+NH3(g),故A错;熵变与反应的自发性有关,但不能独立地作为自发性的判据,故B错;物质的量增加的反应,其混乱度不一定增加,即ΔS不一定为正值,如2H2S(g)+O2(g)====2H2O(g)+2S(s),故C错;CaCO3(s)的分解产生了气体,为熵增反应。知识点化学反应进行的方向与焓变、熵变间的关系1.化学反应进行的方向与焓变的关系:(1)自发反应的特点。放热反应中体系的能量降低,具有自发进行的倾向。(2)与焓变的关系:①多数能自发进行的化学反应是放热反应。如:H2(g)+O2(g)====H2O(l)ΔH=-286kJ·mol-1,NaOH(aq)+HCl(aq)====NaCl(aq)+H2O(l)ΔH=-57.3kJ·mol-1②有不少吸热反应也能自发进行。如:NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)====CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l)ΔH0122.化学反应进行的方向与熵变的关系:(1)自发反应的特点:自发进行的反应有趋向最大混乱度的倾向。(2)与焓变的关系:①许多熵增加的反应在常温、常压下可以自发进行。如:2H2O2(aq)====2H2O(l)+O2(g)ΔS0CaCO3(s)+2HCl(aq)====CaCl2(aq)+H2O(l)+CO2(g)ΔS0②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)③少数熵减小的反应,在一定条件下也可以自发进行。如:Ca(OH)2(aq)+CO2(g)====CaCO3(s)+H2O(l)(3)局限性。熵变是与反应能否自发进行有关的又一个因素,但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。3.复合判据:【方法规律】化学反应进行方向的判断方法类型ΔHΔSΔH-TΔS反应的自发性1-+永远是“-”在任何温度下都是自发反应2+-永远是“+”在任何温度下都是非自发反应类型ΔHΔSΔH-TΔS反应的自发性3--在高温“+”在低温“-”在低温下是自发反应;在高温下是非自发反应4++在高温“-”在低温“+”在低温下是非自发反应;在高温下是自发反应【知识拓展】(1)反应能否自发进行与反应速率的快慢、反应进行的限度是不同的问题,三者没有必然的联系。(2)注意“自发反应”与“自发过程”的区别。(3)反应的焓变可以与自发反应进行的条件互为印证。即可以通过反应的特点推测反应自发进行的条件,通过自发进行的条件推测反应的特点。(4)过程的自发性只是从理论上判断进行的可能性,是否能实现还取决于条件。【典题通关】【典例】某反应:A+B====C在室温下能自发进行,在高温下不能自发进行,对该反应过程ΔH、ΔS的判断正确的是()A.ΔH0、ΔS0B.ΔH0、ΔS0C.ΔH0、ΔS0D.ΔH0、ΔS0【素养解读】核心素养素养任务模型认知运用复合判据模型:ΔG=ΔH-TΔS进行问题分析,建立模型观念。证据推理运用数学知识,结合室温自发、高温不自发的信息进行分析推理。【解题指南】解答该题根据复合判据进行判断:【解析】选A。由ΔG=ΔH-TΔS0反应自发进行知:ΔH0、ΔS0的反应在低温时自发进行;ΔH0、ΔS0的反应一定不能自发进行;ΔH0、ΔS0的反应一定能自发进行;ΔH0、ΔS0的反应在高温时自发进行。【延伸探究】(1)若该反应在室温下不能自发进行,在高温下能自发进行,则该反应过程ΔH、ΔS的符号是怎样的?提示:ΔH0、ΔS0的反应在高温时自发进行。(2)若A、B、C都是气体,而且该反应任何温度都不能自发进行,那么该反应是放热反应还是吸热反应?提示:若A、B、C都是气体,该反应是熵减的反应,而且该反应任何温度都不能自发进行,那么该反应是吸热反应。【过关训练】1.下列说法正确的是()A.凡是放热反应都是自发的,因为吸热反应都是非自发的B.自发反应的熵一定增大,非自发反应的熵一定减小C.常温下,反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH0D.反应2Mg(s)+CO2(g)====C(s)+2MgO(s)能自发进行,则该反应的ΔH0【解析】选C。反应的自发性是由熵变和焓变共同决定的。若ΔH0,ΔS0,则一定自发,若ΔH0,ΔS0,则一定不能自发,若ΔH0,ΔS0或ΔH0,ΔS0,反应能否自发和温度有关,A、B错误;C项中反应的ΔS0,若ΔH0,则一定自发,现常温下不自发,说明ΔH0,正确;D项中反应的ΔS0,能自发,说明ΔH0,错误。2.(2018·德阳高二检测)下列说法中正确的是()A.能自发进行的反应一定能迅速发生反应B.非自发进行的反应一定不可能发生反应C.能自发进行的反应实际可能没有发生反应D.某反应低温条件下能够自发进行,则高温条件下也一定能够自发【解析】选C。能自发进行的反应不一定迅速反应,如铁的生锈,A错误;非自发不含有“不可能”之意,如水的分解在常温常压下是非自发的,但在通直流电条件下,电解生成氢气和氧气,只不过消耗了其他功,B错误;由ΔH-TΔS0可知,当ΔH0,ΔS0时,温度越高,反应自发进行的可能性越小,D错误。【补偿训练】(2018·长沙高二检测)有A、B、C、D四个反应:反应ABCDΔH/(kJ·mol-1)+10.5+1.80-126-11.7ΔS/(J·mol-1·K-1)30.0-113.084.0-105.0则在任何温度下都能自发进行的反应是________;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】放热的熵增反应在任何温度下都能自发进行,吸热的熵减反应在任何温度下都不能自发进行;放热的熵减反应在低温下能自发进行,吸热的熵增反应在高温下可以自发进行,具体温度可以根据ΔH-TΔS=0计算出来。C在任何温度下均自发进行,B在任何温度下均不能自发进行。对于A反应ΔH-TΔS=+10.5kJ·mol-1-T×30.0×10-3kJ·mol-1·K-1=0,故T=350K,即t=77℃;对于D反应ΔH-TΔS=-11.7kJ·mol-1-T×(-105.0)×10-3kJ·mol-1·K-1=0,故T=111.4K,即t=-161.6℃。答案:CB77A-161.6D课题任务:以工业合成氨为例,探究条件的改变对反应速率、平衡以及反应方向的影响【情境创设】合成氨是地球上最重要的化学反应之一,曾两次获得诺贝尔化学奖。20世纪初,随着农业发展和军工生产的需要,氨作为一种制造化肥和拥有众多工业用途的基本化工原料,人们先后开发并实现了氨的工业化生产。反应原理:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)298K时ΔH=-92.2kJ·mol-1ΔS=-198.2J·mol-1·K-1。课题任务:利用所学的化学原理知识,探究合成氨工业条件选择。【素养解读】1.素养要求:(1)变化观念与平衡思想:能多角度、动态地分析化学变化,运用化学反应原理解决简单的实际问题。(2)证据推理与模型认知:建立认知模型,并能运用模型解释化学现象。(3)科学态度与社会责任:具有节约资源、保护环境的可持续发展意识,能对与化学有关的问题做出正确的价值判断。2.素养目标:通过对合成氨工业条件选择的探究,培养学生能将理论知识与生产生活实际相结合,并做出合理的选择方案的能力。【素养探究】【探究任务一:方案设计】1.根据合成氨反应特点,从反应速率和化学平衡的角度,选择合成氨的适宜条件:合成氨的适宜条件的选择外界条件使NH3生产得快使NH3生产得多速率分析平衡分析压强温度催化剂反应物的浓度生成物氨的浓度提示:从速率角度:加压、升温、选择合适的催化剂、增大反应物浓度或减小生成物浓度;从平衡移动角度:加压、降温、增大反应物浓度或减小生成物浓度。2.通过查阅资料并分析和思考:实际合成氨工业选择条件的理由。提示:压强应该考虑加压后转化率提高幅度以及成本;温度应考虑速率、平衡以及催化剂活性。【探究任务二:反思归纳】3.对比合成氨的反应和硫酸工业中接触室中二氧化硫的转化反应特点:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-196.6kJ·mol-1,基于反应速率和化学平衡,二者理论上选择的条件应该相近吗?提示:两个反应特点相同:放热、气体分子总数减小。4.(1)工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分