高中鲁科版第1节 化学反应的方向教案设计

第1节　化学反应的方向

目标与素养：1.了解焓变与熵变的含义。(宏观辨识)2.理解焓变、熵变与反应方向的关系。(证据推理)3.能综合运用焓变与熵变判断反应进行的方向。(模型认知)

1．反应焓变与反应方向

(1)自发过程

①含义：在温度和压强一定的条件下，不借助光、电等外部力量就能自动进行的过程。

②特点

a．体系趋向于从高能量状态转变为低能量状态。

b．在密闭条件下，体系趋向于从有序状态转变为无序状态。

c．具有方向性：即过程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肯定不能自发。   

微点拨：自发过程需要在一定的温度和压强下才可以发生。

(2)反应焓变与反应方向的关系

①能自发进行的化学反应多数是ΔH＜0的反应。

②有些ΔH＞0的反应也能自发进行。

③反应的焓变是反应能否自发进行的影响因素，但不是唯一因素。

2．反应熵变与反应方向

(1)熵

①概念：描述体系混乱度的一个物理量，符号为S，单位是J·mol－1·K－1。

②特点：混乱度越大，体系越无序，体系的熵值就越大。

③影响因素。

a．同一物质：S(高温)＞S(低温)，S(g)＞S(l)＞S(s)。

b．不同物质：相同条件下不同物质具有不同的熵值，分子结构越复杂，熵值越大。

c．S(混合物)＞S(纯净物)。

(2)反应熵变

(3)反应熵变与反应方向

①二者关系。

②结论：熵变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。

微点拨：熵变正负的判断

(1)物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，熵变为正值，是熵增加的过程。

(2)气体体积增大的反应，熵变通常都是正值，是熵增加的反应。

(3)气体体积减小的反应，熵变通常都是负值，是熵减小的反应。

3．焓变与熵变对反应方向的共同影响

(1)反应方向的判据

在温度和压强一定的条件下，化学反应的方向是反应的焓变和熵变共同影响的结果。反应的判据为ΔH－TΔS。

(2)文字表述

在温度和压强一定的条件下，自发反应总是向ΔH－TΔS＜0的方向进行，直至达到平衡状态。

(3)局限性

①只能用于一定温度和压强条件下的反应，不能用于其他条件下的反应。

②仅仅可以用于判断温度和压强一定的条件下反应自动发生的趋势，不能说明反应在该条件下能否实际发生。

微点拨：在ΔH和ΔS确定的情况下，温度有可能对反应的方向起决定作用。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)是一个熵减过程。 (　　)

(2)－10 ℃的水结成冰，可用熵变的判据来解释该变化过程的自发性。

  (　　)

(3)吸热且熵增加的反应，温度越低反应越可能自发进行。 (　　)

(4)由焓判据和熵判据组合而成的复合判据，将更适合于所有的过程。

  (　　)

(5)一个反应的ΔH－TΔS＝0，则该反应处于平衡状态。 (　　)

[提示]　(1)×　CaCO3分解反应是一个气体物质的量增多的反应，故为熵增过程。

(2)×　－10 ℃的水结成冰是一个熵减过程，该过程能自发进行，应用焓变的判据解释，即ΔH＜0是该过程自发进行的主要原因。

(3)×　当ΔH＞0、ΔS＞0，温度越高越可能使ΔH－TΔS＜0，即有利于反应自发进行。

(4)√　(5)√

2．自发进行的反应一定是(　　)

A．吸热反应　　　 B．放热反应

C．熵增加反应 D．ΔH－TΔS＜0

D　[ΔH－TΔS＜0的反应为自发进行的反应。]

3．下列对熵变的判断中不正确的是(　　)

A．少量的食盐溶解于水中：ΔS＞0

B．纯碳和氧气反应生成CO(g)：ΔS＞0

C．气态水变成液态水：ΔS＞0

D．CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)：ΔS＞0

C　[A项，NaCl(s)―→NaCl(aq)　ΔS＞0；B项，2C(s)＋O2(g) 2CO(g)　ΔS＞0；C项，H2O(g)―→H2O(l)　ΔS＜0；D项，CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)　ΔS＞0。]

1.放热和熵增加都对ΔH－TΔS＜0有所贡献，因此放热的熵增加反应一定能自发进行，吸热的熵减小反应一定不能自发进行。

2．当反应的焓变和熵变的影响相反，且二者大小相差悬殊时，某一因素可能占主导地位。

一般常温下自发进行的放热反应，焓变对反应方向起决定性作用。

一般常温下自发进行的吸热反应，熵变对反应方向起决定性作用。

3．如果反应的焓变和熵变的影响相反且相差不大时，温度可能对反应的方向起决定性作用。

温度与反应方向的关系：

4.ΔH与ΔS共同影响一个化学反应在一定条件下能否自发进行，它们与化学反应速率无关。

【典例】　工业上利用甲烷制取碳黑的反应是

①CH4(g)===C(s)＋2H2(g)

ΔH(298 K)＝74.848 kJ·mol－1

ΔS(298 K)＝80.674 J·mol－1·K－1

反应过程中容易发生副反应：

②2CH4(g)===C2H2(g)＋3H2(g)

ΔH(298 K)＝376.426 kJ·mol－1

ΔS(298 K)＝220.211 J·mol－1·K－1

下列有关说法中正确的是(　　)

A．反应①在常温下就可以自发进行

B．焓变是副反应②自发进行的决定因素

C．制取碳黑允许的最低温度是927.8 K

D．温度越高对制取碳黑越有利

C　[ΔH－TΔS＝74.848 kJ·mol－1－80.674×10－3 kJ·mol－1·K－1×298 K≈50.807 kJ·mol－1＞0，所以该反应常温下不自发进行，A错误；反应②是熵增加的吸热反应，熵变是决定该反应能否自发进行的因素，B错误；制取碳黑时，ΔH－TΔS＝74.848 kJ·mol－1－80.674×10－3 kJ·mol－1·K－1×T＜0，得T＞927.8 K，即制取碳黑的最低温度为927.8 K，C正确；温度过高时，可能会发生反应②，D错误。]

(1)C(s)＋2H2(g)===CH4(g)在常温常压下________(填“能”或“不能”)自发进行？

(2)由副反应②可知，制取乙炔的最低温度是________。

[答案]　(1)能　(2)1 709.4 K

1在利用ΔH－TΔS作为判据判断反应方向时，给出ΔH的单位通常为kJ·mol－1，ΔS的单位通常是J·mol－1·K－1，进行计算时应将二者的单位统一。

2利用ΔH、ΔS的符号和ΔH－TΔS进行推理，可以减少计算量。

1．在25 ℃、1.01×105 Pa下，反应2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝56.7 kJ·mol－1能自发进行的合理解释是(　　)

A．该反应是分解反应

B．该反应的熵增效应大于焓变效应

C．该反应是熵减反应

D．该反应是放热反应

B　[该反应是吸热反应，但不能只用焓判据来判断反应进行的方向。该反应是熵增反应，且能够自发进行，说明该反应的熵增效应大于焓变效应，B项正确。]

2．对于平衡体系mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，下列结论正确的是(　　)

A．若此反应为放热反应，则该反应在任何条件下均可自发进行

B．若m＋n<p＋q，则此反应的ΔS＞0

C．若此反应的ΔH＞0、ΔS＜0，则该反应在任何条件下均可自发进行

D．无论m＋n与p＋q的大小关系如何，该反应过程均是熵增加的过程

B　[放热的熵增反应才能在任何条件下均可自发进行，A、C项错误；气体分子数增加，反应的ΔS＞0，故B项正确。]

1．下列生活中的自发过程能用熵判据解释的是(　　)

A．自然界中水由高处往低处流

B．低于0 ℃时水变成冰

C．墨水滴到水中会扩散到整个水体

D．铁器暴露在潮湿的空气中会生锈并放出热量

C　[熵变在某种意义上可以理解为体系混乱程度的变化，体系中微粒排列越规则，熵越小，越混乱，熵越大。C项中墨水在水中扩散开是熵增加的过程。故选C项。]

2．以下反应均为自发反应，其中不能用焓判据解释的是(　　)

A．2Na(s)＋Cl2(g)===2NaCl(s)　ΔH＜0

B．C3H8(g)＋5O2(g)===3CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0

C．2NH4Cl(s)＋Ca(OH)2(s)===2NH3(g)＋CaCl2(s)＋2H2O(l)　ΔH＞0

D．2Mg(s)＋O2(g)===2MgO(s)　ΔH＜0

C　[C项反应的ΔH＞0，由焓判据判断反应不能自发进行，而题给条件是能自发进行，所以C项中的反应不能用焓判据解释。]

3．下列说法正确的是(　　)

A．氨气和氯化氢的反应是熵增加的反应

B．氨气和氯化氢的反应是焓增加的反应

C．碳酸氢铵的分解是熵增加的反应

D．碳酸氢铵的分解由于是焓减小的反应，所以不能自发进行

C　[氨气和氯化氢的反应是气体体积减小的化合反应，所以熵减小、焓减小；碳酸氢铵的分解是一个气体体积增加的分解反应，所以是一个熵增加、焓增加的反应。]

4．某反应2AB(g)C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的ΔH、ΔS应为(　　)

A．ΔH＜0、ΔS＞0　　 B．ΔH＜0、ΔS＜0

C．ΔH＞0、ΔS＞0 D．ΔH＞0、ΔS＜0

C　[A项，ΔH＜0、ΔS＞0时，ΔH－TΔS在任何温度下小于0；B项，ΔH＜0、ΔS＜0时，ΔH－TΔS在低温下小于0；C项，ΔH＞0、ΔS＞0时，ΔH－TΔS在高温下小于0；D项，ΔH＞0、ΔS＜0时，ΔH－TΔS在任何温度下大于0。]

5．已知电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应为SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(l)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ·mol－1，ΔS(298.15 K)＝－75.8 J·mol－1·K－1，假设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行时的温度__________________________。

[解析]　要使反应能够自发进行，则ΔH－TΔS＜0，即－94.0 kJ·mol－1－T×(－75.8 J·mol－1·K－1)×10－3kJ·J－1＜0，故T＜≈1 240 K。

[答案]　小于1 240 K