知识讲解—化学反应进行的方向

1 高考总复习 化学反应进行的方向 【考纲要求】 1．了解焓变、熵变的涵义以及二者与反应方向的关系 2．能通过△H-T△S 及给定 的△S 数据定量判断反应的方向 【考点梳理】 考点一、自发过程 1、含义：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。 2、特点： ①体系趋向于从高能状态转变为低能状态（体系对外部做功或释放热量）。 ②在密闭条件下，体系从有序转变为无序的倾向性（无序体系更加稳定）。 考点二、化学反应方向的判据 1、焓判据 （1）焓变（ΔH）：焓变即化学反应中的能量变化。 ①放热反应：ΔH＜0，体系能量降低。 典型的放热反应有：燃烧反应、中和反应、金属与酸或水的反应、大多数化合反应、缓慢氧化反应等； ②吸热反应：ΔH＞0，体系能量升高。 典型的吸热反应有：大多数分解反应、C 与 CO2 高温下的反应、水煤气反应、Ba(OH)2 晶体与 NH4Cl 的反 应、绝大多数弱电解质的电离、盐类的水解反应等。 （2）焓判据： 放热反应过程中体系能量降低，ΔH＜0，具有自发进行的倾向，但有些吸热反应也可以自发进行，故只用 焓变来判断反应进行的方向不全面。 要点诠释：化学反应的方向与ΔH 的关系 自发反应是一个自发进行的过程，而自发过程总是能够对外界做功，消耗自身的能量，使自身的能量降低， 因而化学反应能自发地向能量降低的方向（ΔH＜0，放热）进行。通常情况下，放热反应（ΔH＜0）多数能自 发进行，吸热反应（ΔH＞0）多数不能自发进行。 2、熵判据 （1）熵：量度体系混乱（或无序）程度的物理量，符号为 S。 （2）熵判据： 体系的混乱度增大，ΔS＞0，反应有自发进行的倾向。但有些熵减的过程也能自发进行，故只用熵变来判断 反应进行的方向也不全面。 典型的熵增过程有：气体扩散、固体溶解、固体熔化、液体气化、生成气体或气体体积数增大的反应等。 要点诠释：化学反应的方向与熵变的关系 对于一个由大量粒子组成的体系，人们定义一个物理量——熵（S）来描述体系的混乱度，熵值越大，体系 混乱度越大。在同一条件下不同的物质有不同的熵值，而同一物质的熵值与条件有关。例如，对同一物质来说， 三种状态下，熵值由大到小的顺序为：S (g)＞S (l)＞S (s)。物质的量为 1 mol 的物质的熵通用 Sm 表示。对于水的 三态的 Sm 关系：Sm (g)＞Sm (l)＞Sm (s)。 3、复合判据——自由能变化 △G ＝ △H－T△S，其中：G 叫作吉布斯自由能。 △G ＝ △H －T△S ＜ 0 反应能自发进行 △G ＝ △H －T△S ＝0 反应达到平衡状态 △G ＝ △H －T△S ＞0 反应不能自发进行 要点诠释：化学反应方向的判据 当焓变和熵变的影响相反且相差不大时，温度有可能对反应的方向起决定性作用，可以估算反应发生的温度 （转向温度）： 。化学反应体系的焓变减少（ΔH＜0）和熵变增加（ΔS＞0）都有利于反应正向进行。HT S ∆= ∆2 即：△H ＞ 0, △S ＞ 0 高温自发； △H ＜ 0, △S ＜ 0 低温自发； △H ＞ 0, △S ＜ 0 一定不自发； △H ＜ 0, △S ＞ 0 一定自发。 【典型例题】 类型一：焓变、熵变的涵义及与反应自发性的关系 例 1、碳酸铵(NH4)2CO3 在室温下就能自发的分解产生氨气，对其说法正确的是 A．碳酸铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大 B．碳酸铵分解是因为外界给予了能量 C．碳酸铵分解是吸热反应，根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 【答案】A 【解析】(NH4)2CO3 的分解为吸热反应，而吸热反应不易自发进行；根据焓变与熵变对化学反应的共同影响， 该反应熵值一定增大。 【总结升华】(1)ΔH0。熵变是反应能否自发进行的一 个因素，但不是唯一因素。 举一反三： 【变式 1】有关化学反应的说法，正确的是： A、自发反应都是放热反应 B、自发反应都是熵增大的反应 C、自发反应一定能实现 D、非自发反应在一定条件下也能实现 【答案】D 【解析】自发反应在一定条件下才能实现，非自发反应在一定条件下也能实现。 【变式 2】下列过程导致熵增加的是： 　　A．一定条件下水由气态变为液态　　　 B．水由高处流向低处 　　C．碳酸氢铵的分解　　　　　　　 　　D．CO 点燃时生成 CO2 【答案】BC 【变式 3】下列有关△S 的叙述中，错误的是： 　　A．△S＞0 的反应不一定是自发反应 　　B．固体物质溶于水，这个过程体系的熵增大 　　C．生成气体的离子反应，其△S＞0 　　D．微粒数增多的反应，一般△S＜0 【答案】D 【变式 4】下列变化的熵变大于零的是： A．H2O(l) H2O(g) B．CO2(g) CO2(s) C．NaOH(aq)+HCl(aq) ＝ NaCl(aq)+H2O D．NH3(g)+HCl(g)＝NH4Cl(s) 【答案】A 类型二：综合运用焓判据和熵判据判断化学反应进行的方向 例 2、 (2014 广东省佛山市质检)反应 FeO(s) ＋C(s)===Fe(s)＋CO (g)　ΔH＞0，ΔG＝ΔH－TΔS，下列说法正 确的是(　　) A．ΔS＜03 B．ΔS＞0 C．当 TΔS＞ΔH 时，可自发进行 D．当 TΔS＜ΔH 时，可自发进行 【思路点拨】依据反应自发进行的复合判据ΔH－TΔS＜0 【解析】BC 【解析】由于反应正向气体体积增大，故 ΔS＞0，所以 A 项不正确，B 项正确；当 ΔG＜0 时，反应为自发 进行，根据 ΔG＝ΔH－TΔS 可知，当 TΔS＞ΔH 时，则 ΔG＜0，可自发进行，D 不正确；所以本题选 C。 【总结升华】当焓变和熵变的影响相反且相差不大时，温度有可能对反应的方向起决定性作用。 举一反三： 【变式 1】下列说法中正确的是： 　　A．某反应在低温条件下能自发进行，那么高温条件下也一定能自发进行 　　B．某反应高温条件下不能自发进行，那么低温条件下也不能自发进行 　　C．反应方向是由焓变和熵变共同决定的，与反应温度无关 　　D．温度有可能对反应的方向起决定性的作用 【答案】D 【解析】当ΔH＜0,ΔS＞0 时，ΔG＝ΔH－TΔS＜0 ，反应一定能自发进行；当ΔH＞0,ΔS＜0 时，ΔG＝ΔH －TΔS＞0，反应不能自发进行；当ΔH＞0,ΔS＞0 或当ΔH＜0,ΔS＜0 时，反应是否自发与温度有关，一般低 温时以焓变影响为主，高温时，以熵变影响为主，而温度影响的大小要视ΔH、ΔS 的具体数值而定。 【变式 2】(2014 天津高考)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 B．NH4F 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率，因此用浓硫酸与铁反应能增大生成 H2 的速率 【答案】D　 【解析】当 ΔH－TΔS＜0 时，反应能自发进行，吸热反应的 ΔH＞0，吸热反应能自发，说明 ΔS＞0，A 项正确； NH4F 溶液中 F－水解生成 HF，HF 能与玻璃中的 SiO2 发生反应 4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O，故 NH4F 溶液不能 存放在玻璃试剂瓶中，B 项正确；可燃冰需在低温高压下形成，所以可燃冰可存在于海底，C 项正确；常温下， 浓硫酸使铁发生钝化，D 项错误。 【变式 3】下列说法完全正确的是： A．放热反应均是自发进行的反应 B．ΔS 为正值的反应均是自发进行的反应 C．物质的量增加的反应，ΔS 为正值 D．如果ΔH 和ΔS 为正值，当温度升高时，反应可能自发进行 【答案】D 【解析】反应能否自发进行取决于ΔH―TΔS 的大小，若ΔH―TΔS＜0，则能自发进行。 【变式 4】反应 4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)＝4Fe(OH)3(s)；ΔH＝－444.3kJ·mol－1　ΔS＝－280.1J·mol－1·K－1 在 常温、常压下反应能自发进行，对于该反应的反应方向起决定性作用的是(　　)4 A．熵变　　 B．温度　　 C．压强　　 D．焓变 【答案】D5 【巩固练习】 一、选择题(每题有 1~2 个选项符合题意) 1. 吸热反应一定是(　　) A. 非自发的化学反应 B. 释放能量 C. 贮存能量 D. 反应需要加热 2.下列反应中，熵显著增加的反应是(　　) A. B. C. D. 3.下列反应中熵减少的是（　　 ） 　　A．食盐晶体溶于水　　　　　 B．氢气在氧气中燃烧生成液态水 　　C．水蒸气冷凝为水　　　　　 D．Ba(OH)2 晶体与 NH4Cl 反应 4.（2015•天津高考）下列说法不正确的是（　　） A．Na 与 H2O 的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行 B．饱和 Na2SO4 溶液或浓硝酸均可使蛋白质溶液产生沉淀，但原理不同 C．FeCl3 和 MnO2 均可加快 H2O2 分解，同等条件下二者对 H2O2 分解速率的改变相同 D．Mg(OH)2 固体在溶液中存在平衡：Mg(OH)2(s) Mg2+(aq)+2OH—(aq)，该固体可溶于 NH4Cl 溶液 5．实验证明，多数能自发进行的反应都是放热反应。对此说法的理解正确的是(　　) A．所有的放热反应都是自发进行的 B．所有的自发反应都是放热的 C．焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素 D．焓变是决定反应是否具有自发性的唯一判据 6．（2015 广东佛山）下列关于化学反应的叙述正确的是 (　　) A．ΔH＞0 的化学反应一定不能自发进行 B．反应 2NO2(g)→N2O4(l)的熵(体系混乱度)增大(即 ΔS＞0) C．非自发反应在任何条件下都不能发生 D．熵增加且放热的反应一定是自发反应 7．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 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 8．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 9．已知“凡气体分子总数增多的反应一定是熵增大的反应”。根据所学知识判断，下列反应中，在任何温度下都 不自发进行的是 (　　) A．2O3(g)＝3O2(g)　ΔH0 C．N2(g)＋3H2(g)＝2NH3(g)　ΔH0 10．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 ( ) ( ) ( )gOHCHgH2gCO 32 =+ OHCOCaClHCl2CaCO 2223 +↑+=+ ( ) ( ) ( )gCOgOsC 22 =+ ( ) ( ) ( )gOlHg2sHgO2 2+=6 D．熵变小于 0 而焓变大于 0 的反应肯定是自发的 11．下列体系的熵变大于零的是 (　　) A．水蒸气冷凝成水 B．CaCO3(s)＝CaO(s)＋CO2(g) C．乙烯聚合成聚乙稀 D．N2O4(g)＝2NO2(g) 12．能用焓判据判断下列过程 方向的是 (　　) A．湿的衣服经过晾晒变干 B．硝酸铵溶于水 C．100℃时的水蒸气凝结成水 D．25℃、101kPa 时 2N2O 5(g)＝4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ/mol 能自发进行 13.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) ；ΔH=－393.5 kJ/mol C (s，金刚石)+O2 (g)==CO2 (g) ；ΔH=－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 14. 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 15．（新加 2015 ）在 298 K 下，NaCl 在水中的溶解度为 26 g。如将 1 mol NaCl 溶解在 1 L 水中，此 溶解过程中体系的 ΔH－TΔS 和熵的变化情况是(　　) A．ΔH－TΔS＞0，ΔS＜0 B．ΔH－TΔS＜0，ΔS＞0 C．ΔH－TΔS＞0，ΔS＞0 D．ΔH－TΔS＜0，ΔS＜0 二、非选择题 1．某化学兴趣小组专门研究了氧族元素及其某些化合物的部分性质。所查资料信息如下： ①酸性：H2SO4>H2SeO4>H2TeO4 ②氧、硫、硒与氢气化合越来越难，碲与氢气不能直接化合 ③由元素的单质生成等物质的量的氢化物的焓变情况如图 请回答下列问题： (1)H2 与硫化合的反应__________热量(填“放出”或“吸收”)； (2)已知 H2Te 分解反应的 ΔS>0，请解释为什么 Te 和 H2 不能直接化合：__________________； (3)上述资料信息中能够说明硫元素非金属性强于硒元素的是__________(填序号)。 2．（2014 河北唐山）二氧化碳捕集、存储和转化是当今化学研究的热点问题之一。 (1)用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解 CO2，发生反应：2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g)，该反 应的 ΔH________0，ΔS________0(选填“＞”、“＜”或“＝”)，在低温下，该反应________(填“能” 或“不能”)自发进行。7 (2)CO2 转化途径之一是利用太阳能或生物质能分解水制 H2，然后将 H2 与 CO2 转化为甲醇或其他化学品。你认 为该方法需要解决的技术问题有________。 a．开发高效光催化剂 b．将光催化制取的 氢气从反应体系中有效分离，并与 CO2 发生催化转化 c．二氧化碳及水资源的供应 3．新加（2015 河北）某化学科研小组研究在其他条件不变时，改变某一条件对反应（可用 aA(g)＋bB(g) cC(g)表示）化学平衡的影响，得到如图所示图象（图中 p 表示压强，T 表示温度，n 表示物质的量，α 表 示平衡转化率，φ 表示体积分数)： 分析图象，回答下列问题： (1)在图象反应Ⅰ中，若 p1＞p2，则此正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应，也是一个气体分子数______(填 “减少”或“增大”)的反应，由此判断。此反应自发进行，必须满足的条件是________。 (2)在图象反应Ⅱ中，T1________T2(填“＞”、“＜”或“＝”)，该正反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。 (3)在图象反应Ⅲ中，若 T1＞T2，则该反应能否自发进行？ 8 【答案与解析】 一、选择题 1、C 【解析】吸热反应不一定是非自发的化学反应，吸热反应一定是贮存能量，吸热反应反应不一定需要加热。 2、B 【解析】反应后生成气体或气体体积增多的反应，熵显著增加。 3、BC 【解析】A 选项，固体溶解为熵增过程；B 选项，气态反应物生成液态产物为熵减过程；C 选项，气体液化为熵 减过程；D 选项，固态反应物生成气态产物为熵增过程。 4、C 【解析】A．Na 与 H2O 的反应属于固体和液体反应有气体产生的反应类型，为熵增的反应，即△S＞0，在反应 中钠会熔化成一光亮的小球四处游动，可说明该反应为放热反应，即△H＜0，根据△G=△H-T△S＜0，可判断 该反应能自发进行，故 A 正确； B．饱和 Na2SO4 溶液使蛋白质溶液产生沉淀是利用蛋白质盐析的性质，浓硝酸使蛋白质溶液产生沉淀是利用蛋 白质变性的性质，二者原理不同，故 B 正确； C．FeCl3 和 MnO2 均可做 H2O2 分解的催化剂，同等条件下二者对 H2O2 分解的催化效果不同，则对分解速率的改 变也不同，故 C 不正确； D．Mg(OH)2 固体在溶液中存在沉淀溶解平衡：Mg(OH)2(s) Mg2+(aq)+2OH—(aq)，NH4Cl 溶液中存在 NH4+水 解使溶液显酸性，会消耗 OH-，使沉淀溶解平衡向右移动，促进 Mg(OH)2 的溶解，故 D 正确； 故选 C。 5、C 【解析】多数能自发进行的反应都是放热反应，并不是所有自发进行的反应都是放热反应，既然说“多数”，必定 存在特例，所以只能说“焓变是影响反应是否具有自发性的一个重要因素，但不是唯一因素。” 6、D 【解析】A 选项反应是否自发进行由 ΔG＝ΔH－TΔS 决定，ΔH＞0 的吸热反应有的也能自发进行，如碳酸氢铵 的分解反应；B 选项对应的反应为熵减少的反应；C 选项非自发反应在改变温度的条件下使 ΔG＜0，则反应就能 自发进行。 7、D 【解析】放热反应容易自发进行，但不是所有的放热反应都能自发进行，吸热反应不易自发进行，但 在一定条 件下也可以自发进行；自发反应是在一定条件下进行的，所以 A、B、C 均不正确。 8、C 【解析】　熵值增大的反应，即 ΔS>0 的反应容易自发进行，所以熵变与反应的方向有关；熵变是反应能否自发 进行的一个因素，但不是唯一因素，所以 B 错；自发反应不一定 ΔS>0，故 D 错。 9、B 【解析】B 中△H ＞ 0, △S ＜ 0 ；△G ＝ △H －T△S ＞0 ，反应一定不能自发进行 10、A 【解析】根据焓变与熵变对化学反应的共同影响，若 ΔH—TΔSS(1)>S(s)，A 错；C 项气体体积减小，熵变小于零，B、D 项是气体体积增大的反应，熵变大于零。 12、C 【解析】湿衣服经过晾晒变干和硝酸铵溶于水都是自发过程，该过程虽然吸收热量，但熵值增大，熵增效应超过 了能量效应；硝酸铵溶于水吸热，但熵值增大，熵增效应超过了能量效应；100℃时水蒸气凝结成水是自发过程， 因为该过程释放了能量，使体系能量降低，符合题意；D 项中反应是吸热反应，同时又是熵增反应，熵增效应同 样超过了能量效应，不能只根据焓变来判断反应进行的方向。9 13、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。 14、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 1.01×105 Pa 时，2N2O5 (g)==4NO2 (g)+O2 (g) ΔH=+56.7 kJ/mol，(NH4)2CO3 (s)==NH4HCO3 (s)+NH3 (g) ΔH=+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。 15、B 【解析】NaCl 晶体能自发地溶解于水，故 ΔH－TΔS＜0，该过程是熵增过程 ΔS＞0。 二、非选择题 1、(1)放出　(2)因为化合 时 ΔH>0，ΔS0，故反应不能自发进行　(3)①②③ 【解析】(1)由图像看出 H2 与硫化合的反应 ΔH