化学反应的方向

【同步教育信息】 一. 本周教学 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ： 化学反应进行的方向 1、自发过程与非自发过程 2、反应方向的焓（能量）判据 3、自发过程的熵判据 4、化学反应自发进行的方向 二. 重点、难点： 1、理解能量判据、熵的概念。 2、理解能量判据和熵判据对化学反应进行方向的共同影响。 3、学会利用能量判据和熵判据分析化学反应进行的方向。 三. 教学过程： 反应进行的方向、快慢和限度是化学反应原理的三个重要组成部分： 化学反应进行的快慢——化学反应速率 化学反应的限度——化学平衡 化学反应进行的方向——能量判据和熵判据 （一）自发过程与非自发过程 水往低处流，而不会自发的向上流；一般在室温下，冰块会融化，铁器在潮湿空气中会生锈，甲烷与氧气的混合气体遇明火就燃烧，这些过程都是自发的。这些不用借助于外力就可以自动进行的自发过程的共同特点是，体系会对外部做功或释放热量，即体系趋向于从高能状态转变为低能状态。 1、自发过程:在一定条件下不需外力作用就能自动进行的过程。 2、非自发过程 ：在一定条件下，需要外界做功才能进行的过程。 3、自发过程的特征：有明确的方向性，要逆转必须借助外界做功；具有做功的本领；自发变化的最大限度是体系的平衡状态。 4、自发反应:在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应。如：镁条燃烧；酸碱中和；铁器暴露在潮湿空气中会生锈；甲烷和氧气的混合气体遇明火就燃烧；锌与CuSO4溶液会自动反应生成Cu和ZnSO4等，这些反应都是自发的，其逆过程就是非自发的。 （二）反应方向的焓（能量）判据 1、对于化学反应，有着向能量较低方向进行的趋势，也就是通过放热实现的，那么焓减小有利于反应自发，它是自发反应的一个内在推动力。焓判据是判断化学反应进行方向的判据之一。 ［思考］吸热反应是非自发进行吗？ 多数自发进行的化学反应是放热反应，但也有不少吸热反应能自发进行。如在25℃和1.01×105Pa时： 2N2O5（g）= 4NO2（g）+ O2（g） △H = ＋56.7kJ/mol NH4HCO3（s）+ CH3COOH（aq）= CO2（g）+CH3COONH4（aq）+ H2O（l） △H = ＋37.3kJ/mol ［分析］固体硝酸铵溶于水要吸热，室温下冰块的溶解要吸热，两种或两种以上互不反应的气体通入一密闭容器中，最终会混合均匀，这些过程都是自发的，与焓变有关吗？是什么因素决定它们的溶解过程能自发进行？ 除自发的化学反应外，还有一类自发过程，例如放在同一密闭容器中的气体或液体物质(也包括能够挥发的固态物质)的蒸汽，不需要外界的任何作用，气态物质会通过分子的扩散自发地形成均匀混合物。这种现象可以推广到相互接触的固体物质体系，经过长期放置后，人们能够找到通过扩散而进入的另一种固体中的原子或分子(这种现象可以作为纯物质难以保存的最本质的解释)。又如把硝酸铵溶于水虽然要吸热，它却能够自发地向水中扩散。为了解释这样一类与能量状态的高低无关的过程的自发性，人们提出在自然界还存在着另一种能够推动体系变化的因素，即在密闭条件下，体系有由有序自发地转变为无序的倾向。因为与有序体系相比，无序体系“更加稳定”，可以采取更多的存在方式。以扑克牌为例，经过多次的洗牌之后，严格按照花色和序号排列的机会与花色序号毫无规律的混乱排列的机会相比，大概要相差几十个数量级。科学家把这种因素称作熵。 （三）自发过程的熵判据 1、混乱度与熵 （1）混乱度：表示体系的不规则或无序状态。混乱度的增加意味着体系变得更加无序。 （2）熵：热力学上用来表示混乱度的状态函数，符号为S。体系的无序性越高，即混乱度越高，熵值就越大。 2、影响熵值大小的因素： （1）聚集状态：B(g)>B(l)>B(s)。 （2）温度：同一物质时，温度越高，熵值越大。 （3）分子结构：分子量相近，结构越复杂，熵越大。对称性越好，熵越小。 （4）分子量：结构相近，分子量越大，熵越大。 3、熵变：化学反应中要发生物质的变化或物质状态的变化，因此存在混乱度的变化，叫做熵变。符号：△S， 单位：J·mol－1·K－1。△S=S产物－S反应物 4、自发过程的熵判据：在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这一经验规律叫做熵增原理，是判断化学反应方向的另一判据——熵判据。如产生气体的反应，气体物质的量增大的反应，△S通常为正值，为熵增加反应，反应自发进行。 5、反应熵变是与反应能否自发进行有关的又一个因素，但也不是唯一因素。如有些熵减小的反应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，就是熵减的过程（但它是放热的）。 （四）化学反应自发进行的方向 在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应焓变有关，又与反应熵变有关。反应进行方向的判断方法：∆H－T∆S<0 反应能自发进行；∆H－T∆S=0 反应达到平衡状态；∆H－T∆S>0 反应不能自发进行。在温度、压强一定的条件下，焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向。放热反应的焓变小于零，熵增加反应的熵变大于零，都对∆H－T∆S<0有所贡献，因此放热和熵增加有利于反应自发进行。 ［ 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ］能量判据和熵判据的应用： 焓变(H 熵变(S ∆H－T∆S<0 反应在该状况下能否自发进行 (H＜0 (S＞0 ＜0 自发进行 (H＞0 (S＜0 ＞0 不自发进行 (H＜0 (S＜0 不能确定 不能定性判断 (H＞0 (S＞0 不能确定 不能定性判断 （1）由能量判据知∶放热过程（△H<0）常常是容易自发进行； （2）由熵判据知∶许多熵增加（△S>0）的过程是自发的； （3）很多情况下，简单地只用其中一个判据去判断同一个反应，可能会出现相反的判断结果，所以我们应两个判据兼顾。由能量判据（以焓变为基础）和熵判据组合成的复合判据（体系自由能变化：△G=△H－T△S）将更适合于所有的反应过程； （4）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的速率； （5）在讨论过程的方向时，我们指的是没有外界干扰时体系的性质。如果允许外界对体系施加某种作用，就可能出现相反的结果； （6）反应的自发性也受外界条件的影响。 ［思考总结］1、放热的自发过程可能是熵减小的过程，如铁生锈、氢气燃烧等；也可能是熵无明显变化或增加的过程，如金刚石和石墨的互变熵不变；活泼金属与酸的置换反应熵增等…… 2、吸热的自发过程应为熵增加的过程，如冰的融化、硝酸铵溶于水等。 3、无热效应的自发过程是熵增加的过程，如两种理想气体的混合等。 4、由能量判据（以焓变为基础）和熵判据组合成的复合判据（△G）将更适合于所有的过程。 5、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。 6、若一个变化的正向能自发进行，则逆向是非自发反应。 7、反应的自发性也受外界条件的影响。如常温下石灰石分解生成生石灰和二氧化碳是非自发性的，但在1273K时，这一反应就是自发的反应。 【典型例题】 例1. 过程的自发性的作用是（ ） A. 判断过程发生的速率 B. 确定过程是否一定发生 C. 判断过程的方向 D. 判断过程的热效应 分析：本题考查的是过程自发性的作用问题，在一定温度、压强下焓变和熵变共同决定了化学反应的自发性。判断过程的自发性的本质是用来判断一个化学反应的方向，自发反应总是向着△H—T△S＜0的方向进行，直至达到平衡状态，而与速率热效应无关。答案选C。 例2. 对反应的方向起作用的因素判断不正确的是（ ） A. 有时焓变对化学反应的方向起决定性作用 B. 有时熵变对化学反应的方向起决定性作用 C. 焓变和熵变是判断化学反应方向的两个主要因素 D. 任何情况下，温度都不可能对反应的方向起决定性作用 分析：本题是对影响化学反应方向因素的考查。根据△H－T△S，熵变△S对化学反应方向的影响是与温度相关联的，温度也可以影响化学反应的方向，严格地讲温度对反应的焓变和熵变都有影响，只是在焓变与熵变随温度变化不大的范围内，可以假定它们为常数，在一定情况下，温度可以对反应方向起决定作用。答案为D。 例3. 下列过程属于非自发性的是（ ） A. 墨水扩散 B. 天然气的燃烧 C. 室温下水结成冰 D. 酸和碱发生中和反应 分析：本题考查自发过程的概念的理解应用在自发过程中的判断。自发过程是指在一定条件下，不借助外部力量就能进行的过程。自发过程的体系总是趋向于从高能量状态转变为低能量状态，自发过程的体系趋向于有序转变为无序。例如水从高处向下流、镁条燃烧、酸碱中和、火柴棒散落、墨水扩散和铁在潮湿的空气中生锈等等都属于自发过程。室温下水不能结冰，不属于自发过程。答案选C。 例4. 下列说法不正确的是（ ） A. 焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数的能自发进行的反应都是放热反应 B. 在同一条件下物质有不同的熵值，其体系的混乱程度越大，熵值越大 C. 一个反应能否自发进行取决于反应放热还是吸热 D. 一个反应能否自发进行与焓变和熵变的共同影响有关 分析：本题考查焓变与熵变对反应方向的共同影响。焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，但不是惟一因素。焓减小有利于反应自发，即多数的自发反应都是放热反应，A选项正确；熵是描述体系混乱度的物理量，熵值越大，体系混乱度越大。在同一条件下，不同物质的熵值不同。B选项正确；实验证明大多数自发进行的反应是放热反应，也有一些吸热反应也能自发进行，如：NH4HCO3（s）+CH3COOH（aq）=CO2（g）+CH3COO NH4（aq）+H2O（l）△H=37.70kJ/mol，C选项错误；焓变与熵变对反应方向有着共同影响，焓减小有利于反应自发，熵增大有利于反应自发，D选项正确。答案选C。 例5. 对于温度与反应方向的关系，下列判断不正确的是（ ） A. △H＜0 ，△S＞0，所有温度下反应自发进行 B. △H＞0 ，△S＞0，所有温度下反应自发进行 C. △H＜0 ，△S＜0，低温下反应自发进行 D. △H＞0 ，△S＜0，所有温度下反应不能自发进行 分析：本题考查温度与反应方向的关系。根据△H－T△S可知，当△H＜0 ，△S＞0时，△H－T△S＜0，所有温度下反应自发进行；当△H＞0，△S＞0时，△H－T△S在高温时小于0，反应才能自发进行；当△H＜0，△S＜0时，△H－T△S在低温时小于0，反应能自发进行；当△H＞0，△S＜0时，任何情况下△H－T△S＞0 ，反应不能自发进行。答案选B。 例6. 相同物质的量的水，在不同的状态下，熵值最大的是（ ） A. 固态 B. 液态 C. 气态 D. 冰水混合态 分析：熵值也叫混乱度，在固体水（冰）中，分子的排列是有序的，混乱度是很小的，即熵值很小；在液态水中，水分子的运动范围增大，混乱度增大，所以相同质量的液态水的熵值比固态时增大；在气态水中，水分子可以完全自由移动，混乱度最大。答案选C。 例7. 下列在常温下均为非自发反应，在高温下仍为非自发反应的是（ ） A. Ag2O（s）=2Ag（s）+1/2O（g） B. Fe2O3（s）+2/3C（s）=2Fe（s）+2/3CO2（g） C. N2O4（g）=2NO2（g） D. 6C（s）+6H2O（l）= C6H12O6（s） 分析：本题考查了化学反应的熵判据。熵判据是指外界隔离的体系中，自发过程导致体系的熵增大即化学反应向着熵增加的方向进行。上述四个反应在常温下不能自发进行，其中A、B、C为熵增大的反应，在高温下可能为自发反应，但D为熵减小的反应，在高温下仍为非自发反应。答案选D。 例8. 有A、B、C、D四个反应： 反应 A B C D △H/kJ·mol—1 10.5 1.80 －126 －11.7 △S/J·（mol·K）—1 30.0 －113.0 84.0 －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 。 分析：本题考查了化学反应的复合判据。由焓判据和熵判据组合的△H－T△S适合于所有过程和反应。当△H－T△S＜0时，反应能自发进行；当△H－T△S＞0 ，反应不能自发进行。 在任何温度下都能自发进行的反应，则△H－T△S恒小于0，即△H＜0 ，△S＞0，满足此条件的为反应C；任何温度下都不能自发进行的反应，则△H－T△S恒大于0，即△H＞0，△S＜0，满足此条件的为反应B；反应A的复合判据△H－T△S=10500 J·mol—1－T×30.0 J·（mol·K）—1，当T＞350K，即t＞77℃时，△H－T△S＜0，反应能自发进行；反应D的复合判据△H－T△S=－11700J·mol—1+T×105.0J·（mol·K）—1，当T＜111.4K，即t＞－161.6℃时，△H－T△S＜0，反应能自发进行。 答案：C；B；77；A；－161.6；D 【模拟试题】 1. 我们主要从三个方面讨论一个化学反应的原理，其中不属于这三个方面的是（ ） A. 反应进行的方向 B. 反应的快慢 C. 反应进行的限度 D. 反应物的多少 2. 下列说法正确的是（ ） A. 凡是放热反应都是自发的，由于吸热反应都是非自发的 B. 自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减少或不变 C. 自发反应在恰当条件下才能实现 D. 自发反应在任何条件下都能实现 3. 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. 熵增加或者放热反应 4. 下列说法正确的是（ ） A. 放热反应一定是自发进行的反应 B. 吸热反应一定是非自发进行的反应 C. 自发进行的反应一定容易发生 D. 有些吸热反应也能自发进行 5. 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 6. 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. 铁在潮湿空气中生锈 D. 室温下水结成冰 7. 水的三态的熵值的大小关系正确的是（ ） A. Sm(s)＞Sm(l)＞Sm(g) B. Sm (l)＞Sm(s)＞Sm(g) C. Sm(g)＞Sm(l)＞Sm(s) D. Sm(g)＞Sm(s)＞Sm (l) 8. 下列过程属于熵增加的是（ ） A. 一定条件下水由气态变为液态 B. 高温高压条件下使石墨转化为金刚石 C. 散落的火柴的无序排列 D. CO点燃时生成CO2 9. 已知石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为C（石墨、s）+ O2(g)= CO2(g) ΔH2=－393.5kJ/mol，C（金刚石、s）+ O2(g)= CO2(g) ΔH2=－395. 4kJ/mol。关于石墨和金刚石的相互转化，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. 相同质量时，石墨比金刚石能量低 D. 相同质量时，金刚石比石墨能量低 10. 250℃和1.01×105Pa时，反应 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)；△H=+56.76kJ/mol，自发进行的原因是（ ） A. 是吸热反应 B. 是放热反应 C. 是熵减少的反应 D. 熵增大效应大于能量效应。 11. 碳酸铵［(NH4)2CO3］在室温下就能自发地分解产生氨气，对其说法中正确的是（ ） A. 其分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大 B. 其分解是因为外界给予了能量 C. 其分解是吸热反应，据能量判据不能自发分解 D. 碳酸盐都不稳定，都能自发分解 12. 下列关于化学反应的熵变的叙述正确的是（ ） A. 化学反应的熵变与反应的方向无关 B. 化学反应的熵变直接决定了反应的方向 C. 熵值增大的反应都是混乱度增大的反应 D. 熵值增大的反应都能自发进行 13. 下列关于化学反应的自发性叙述中正确的是（ ） A. 焓变小于0而熵变大于0的反应肯定是自发的 B. 焓变和熵变都小于0的反应肯定是自发的 C. 焓变和熵变都大于0的反应肯定是自发的 D熵变小于0而焓变大于0的反应肯定是自发的 14. 下列反应是自发进行的吸热反应的是（ ） A. NaOH+HCl=NaCl+H2O B. NH4Br(s)=NH3(g)+HBr(g) C. 2CO+O2=2CO2 D. C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) 15. 科学家根据体系存在着力图使自身能量趋于 和由 变为 的自然现象，提出了互相关联的 判据和 判据，为最终解决上述问题提供了必要的依据。 16. 在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的 增大，这个原理也叫做 原理。在用来判断过程的方向时，就称为 判据。不难理解，即使是同一物质，应该存在着 时的熵值最大， 时次之， 时最小的这样一种普遍规律。 17. 由 判据(以焓变为基础)和 判据组合而成的 判据，将更适合于所有的过程。 18. 试解释“硝酸铵溶于水的过程是吸热过程，但却能自发进行。” 19. 由能量判据(以焓变为基础)(符号为△H，单位为kJ/mol)和熵判据(符号为△S，单位为J·mol－1·K－1)组合而成的复合判据，即体系自由能变化(符号为△G，单位为kJ/mol)将更适合于所有过程的自发性判断。公式为△G=△H－T△S(T指开尔文温度)；若△G＜0，反应自发进行。电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应是：SiO2(s)+4HF(g)==SiF4(g)+2H2O(g) △H(298.15K)=－94.0kJ·mol－1 △S(298.15K)=－75.8J·mol－1·K－1 设△H和△S不随温度而变化，试求此反应自发进行的温度条件。 20. 在298 K时，下列反应的ΔH依次为： C2H5OH(l) +3O2(g)→2CO2(g) + 3H2O(l)；△H1 = －1366.8 kJ·mol—1 C(石墨) + O2(g) → CO2(g)； △H2 = －393.5 kJ·mol—1 H2(g) + 1/2O2(g) →H2O(l)； △H3 = －285.8kJ·mol—1 乙醇(C2H5OH)、氢气、石墨和氧气的熵值分别为：161.0、130.6、5.74、205.3 J·mol—1·K—1，则298K时，由单质生成1 mol乙醇的ΔH、ΔS及ΔH－TΔS分别为多少？ 【试题答案】 1. D 2. C 3. D 4. D 5. A 6. D 7. C 8. C 9. BC 10. D 11. A 12. C 13. A 14.BD 15. 最低 “有序” “无序” 焓 熵 16. 熵 熵增大 熵 气态 液态 固态 17. 能量 熵 复合 18. 硝酸铵溶于水后形成自由移动的铵根离子和硝酸根离子增加体系的混乱度，且混乱度的影响大于能量变化的影响 19. 解：△G＝△H－T△S ＝－94.0kJ·mol－１－T×（－0.0758kJ·mol－１K－１）＜0 T＜94.0kJ·mol－１/0.0758kJ·mol－１·K－１＝1240K 答：此反应自发进行的温度是小于1240K 20. 解：△H＝2△H１＋3△H2－△H3 ＝2×（－393.5kJ·mol－１）＋3×（－285.8 kJ·mol－１）－（－1366.8 kJ·mol－１） ＝－277.6 kJ·mol－１ △S＝161.0J·mol－１·K－１－3×130.6J·mol－１·K－１－2×5.74J·mol－１·K－１－1/2×205.3 J·mol－１·K－１ ＝－344.93 J·mol－１·K－１ △G＝△H－T△S ＝－277.6 kJ·mol－１－298K×（－344.93 J·mol－１·K－１）×10－3 ＝－174.8 kJ·mol－１