化学反应进行的方向(知识点总结).pdf

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 1、自发过程 含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自发进行的过程。分类 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。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。3、自发过程和自发反应的特点 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。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 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。应用：由焓判据知，放热过程(H0)常常是容易自发进行的。焓判据的局限性 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)H=+56.7 kJmol1 (NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)H=+74.9 kJmol1 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。2、熵判据 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/(molK)。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 同一条件下，不同的物质熵值不同。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)。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(S0)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，就是熵减的过过程 不需借助外力 需借助外力 自发过程 非自发过程 程(但它是放热的)；2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s)S=39.35 J/(molK)，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 多数能自发进行的反应是放热反应。例如：在常温、常压下，Fe(OH)2被氧化为 Fe(OH)3的反应是自发的，反应放热 4Fe(OH)2(s)+2H2O(1)+O2(g)=4Fe(OH)3(s)H=444.3 kJ/mol 有些吸热反应也能自发进行。例如：NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(1)H=+37.30 kJ/mol 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)H(298 K)=+178.2 kJ/mol H(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 S 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。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)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)高温 CaO(s)+CO2(g)C(s)+H2O(g)高温 CO(g)+H2(g)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 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 G=HTS0 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 G=HTS0 反应能自发进行 G=HTS=0 反应达到化学平衡状态 G=HTS0 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：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。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。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。反应发生的条件有多种，HTS 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：【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 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】运用相关化学知识进行判断，下列结论错误的是()A某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应 BNH4F 水溶液中含有 HF，因此 NH4F 溶液不能存放于玻璃试剂瓶中 C可燃冰主要是甲烷与水在低温高压下形成的水合物晶体，因此可存在于海底 D增大反应物浓度可加快反应速度，因此用浓硫酸与铁反应能增大生成 H2的速率 【答案】D 【解析】A、吸热反应可以自发进行，H0，若满足 HT S0，必须是熵增的反应，故 A 正确；B、氟化铵水解生成氟化氢，氢氟酸和玻璃中二氧化硅反应腐蚀玻璃，因此 NH4F 溶液不能存放于玻璃试剂瓶中，故 B 正确；C、海底中天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，为可燃冰，故 C 正确；D、常温下铁在浓硫酸中钝化，表面形成致密氧化物薄膜阻止浓硫酸与铁反应，不能生成氢气，故 D 错误；故选 D。【变式 3】下列不属于自发过程的是()A铁生锈 BNaCl 溶于水后的扩散 CZn 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 B2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)H=+56.7 kJ/mol C(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)H=+74.9 kJ/mol D2H2(g)+O2(g)=2H2O(1)H=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()A2HI(g)=H2(g)+I2(g)BNH4NO3爆炸：2NH4NO3(s)=2N2(g)+4H2O(g)+O2(g)C2O3(g)=3O2(g)D4NH3(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 【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1.01105 Pa时，2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)H=+56.7 kJ/mol，(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)H=+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：【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)H=393.5 kJ/mol C(s，金刚石)+O2(g)=CO2(g)H=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 BNH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)H=+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 某反应 A+B=C+D 在低温下能自发进行，在高温下不能自发进行，对该反应的 H、S 的判断正确的是()A H0、S0 B H0、S0 C H0、S0 D H0、S0 【思路点拨】运用 H-T S 与 0 的大小关系判据反应能否自发进行。【答案】C 【解析】H-T S0 的反应能自发进行。当 H0、S0 时，反应在低温下能自发进行，在高温下不能自发进行，故 C 正确。【总结升华】判断反应自发进行的传统方法：(1)由不稳定物质向稳定物质转变；(2)对于复分解反应类型的离子反应，一般是由易电离的物质向难电离的物质转变，或向离子浓度减小的方向转变；(3)由难挥发性(高沸点)物质向易挥发性(低沸点)物质转变。(4)由氧化性(还原性)强的物质向氧化性(还原性)弱的物质转变。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)H=+178.3 kJ/mol，S=+1604 J/(molK)，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】H TS=+178.3 kJ/mol 298.15 K+160.4103 kJ/(molK)=+130.5 kJ/mol 0，3178.3 kJ/mol1112 K160.4 10 kJ/(mol K)HTS。