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第三節 化學反應的方向
第二章 化學反應速率與化學平衡
1.了解自發過程和化學反應的自發性。
2.知道化學反應是有方向的，知道化學反應的方向與反應的焓變和熵變有關。
自然條件下，水總是自發地從高處流向底處。自然界中有一些過程是自發進行的，而且是有方向性的。
有些化學反應也是自發進行的，而且具有方向性。
一、自發過程與自發反應
(1)含義:在一定條件下,不用借助外力就可以自動進行的過程。例如:高山流水、自由落體、熱茶變涼。
(2)特點:
①體系趨向于從高能狀態轉變為低能狀態(體系對外部做功或釋放熱量)。
②在密閉條件下,體系有從有序自發轉變為無序的傾向(無序體系更加穩定)。
(3)非自發過程:在一定條件下,需持續借助外力才能進行的過程。
1.自發過程
(1)含義:在給定的條件下,可以自發進行到顯著程度的化學反應,稱為自發反應。例如:鋼鐵生銹。
(2)非自發反應:不能自發進行,必須借助某種外力才能進行的反應。
不正確。某些自發反應需要在一定條件下才能發生,非自發反應具備了一定條件也能發生。例如:甲烷燃燒是自發反應,但需要點燃或加熱才能夠發生;石灰石的分解反應,在常溫下是非自發反應,但在高溫時,這一反應就能自發進行。
2.自發反應
思考：自發反應一定能發生,非自發反應一定不能發生嗎
3.應用
(1)可被用來做“有用功”,例如H2的燃燒可設計成燃料電池;
(2)非自發過程要想發生,必須對它做功,例如通電將水分解為H2和O2。
下列過程屬于非自發的是(　　)
A.氣體從高密度處向低密度處擴散 B.水由高處向低處流
C.煤氣的燃燒 D.室溫下水結成冰
D
解析:氣體從高密度處向低密度處擴散,為自發過程,A不選;
水由高處向低處流,受重力的作用,屬于自發過程,B不選;
煤氣的燃燒,反應常溫下不能自發進行,但由于其為放熱反應,點燃引發反應后,能自發進行,屬于自發過程,C不選;
練一練
二、化學反應方向的判斷
1.焓判據
H2(g) + O2(g) = H2O(l) △H= -285.8 kJ·mol-1
Zn(s) + CuSO4 (aq) = ZnSO4(aq)+ Cu(s) △H= -216.8 kJ·mol-1
NaOH(aq) + HCl(aq) = NaCl(aq) + H2O(l) △H= -57.3kJ·mol-1
上述三反應都是放熱反應（△H<0），常溫下都能自發進行。
放熱反應(△H<0 )具有自發進行的傾向。
放熱反應過程中體系能量降低,具有自發進行的傾向,因此可用焓變來判斷反應進行的方向。
大多數放熱反應可以自發進行，但也有很多吸熱反應能自發進行，因此，反應焓變是與反應進行的方向有關的因素之一，但不是決定反應能否自發進行的唯一因素。
CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　 ΔH>0
Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl==2NH3↑+BaCl2+10H2O ΔH>0
該反應在常溫下不能自發進行，但在較高溫度下你那能自發進行。
該反應在常溫下能自發進行
2.熵
熵:用來度量體系混亂程度的物理量,符號為S,單位為J·mol-1·K-1。體系混亂程度越大,熵值越大。
③對于一個化學反應,若氣體分子數增大,則ΔS＞0,氣體分子數減少,則ΔS＜0。
①同一種物質,不同狀態,熵值大小為S(g)＞S(l)＞S(s)。
②熵變(ΔS)：ΔS＝S(生成物)－S(反應物)。
3.熵判據
體系有自發地向混亂度增大(即熵增)的方向轉變的傾向,因此可用熵變來判斷反應進行的方向。
熵增有利于反應自發進行,有些熵減的反應,在一定條件下也能自發進行。
所以熵變是反應能否自發進行的一個因素,但不是唯一因素。
熵增原理：在與外界隔絕的體系中，自發過程將導致體系的熵增大，即熵變大于零。
NH3(g)+HCl(g)===NH4Cl(s)　ΔS＜0。
該熵減反應常溫下能自發進行。
在一定條件下,一個化學反應能否自發進行,既與反應焓變有關,又與反應熵變有關。研究表明,在恒溫、恒壓下,判斷化學反應自發性的判據是體系自由能變化(ΔG、單位:kJ·mol-1):ΔG=ΔH-TΔS(注意:T為熱力學溫度，單位是“K”)。
4.復合判據
①ΔG<0,反應能自發進行;
②ΔG=0,反應達到平衡狀態;
③ΔG>0,反應不能自發進行。
①當ΔH＜0,ΔS＞0時,
ΔG　　 0,反應　　　自發進行。
②當ΔH ＞0,ΔS＜0時,
ΔG　　 0,反應　　 　自發進行。
③當ΔH＞0,ΔS＞0或ΔH＜0,ΔS＜0時,
反應是否自發進行與　　　　有關,在一
定溫度下可使ΔG=0,即反應達平衡狀態。
＜
能
＞
不能
溫度
在溫度、壓強一定的條件下,自發反應總是向ΔG =ΔH -TΔS＜0的方向進行,直到達平衡狀態。
1.下列過程為自發過程的是 (　　)
①銨鹽溶解　②燒堿與鹽酸的反應　③鋅與稀硫酸的反應　④氫氣在氧氣中燃燒　⑤鎂在空氣中燃燒　⑥鋁熱反應　⑦墨水在水中擴散　⑧電解熔融氯化鈉
A．①②③⑦ B．⑤⑥⑦⑧ C．②④⑥⑧ D．①②③④⑤⑥⑦
D　
解析：自發過程是不借助任何外界條件即可發生的過程，①銨鹽溶解放出熱量，②燒堿與鹽酸的反應是中和反應，釋放熱量，是自發過程，③鋅與稀硫酸的反應是自發過程，④氫氣在氧氣中燃燒是自發過程，⑤鎂在空氣中燃燒是自發過程，⑥鋁熱反應是自發過程，⑦墨水在水中擴散是自發過程，⑧電解熔融氯化鈉需要通電，不是自發過程。
練一練
2.試判斷用于汽車凈化的一個反應2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)在298 K、100 kPa下能否自發進行
已知:在298 K、100 kPa下該反應的ΔH=-113.0 kJ·mol-1,ΔS=-145.3 J·mol-1·K-1。
ΔG=ΔH-TΔS=-113.0 kJ·mol-1-298 K×[-145.3 J·mol-1·K-1)]×10-3≈-69.7 kJ·mol-1<0
可以自發進行
3.以下說法中正確的是 (　　)
A.ΔH<0的反應均是自發反應
B.自發進行的反應一定能隨時自動發生
C.冰在室溫下自動融化成水,這是熵增的過程
D.MgCO3(s)====MgO(s)+CO2(g)高溫下,不能自發
解析:ΔG<0反應自發進行,由ΔG=ΔH-TΔS可知,ΔH<0時,若ΔS<0,則ΔG可能大于0,反應非自發,故A錯誤;ΔG<0反應自發進行,能否隨時自動發生還有反應速率問題,故B錯誤;反應向熵增方向進行,同種物質熵值:液體>固體,冰在室溫下自動融化成水,是熵增的過程,故C正確;碳酸鎂分解屬于吸熱反應,ΔH>0,MgCO3(s)===MgO(s)+CO2(g),固體分解得到氣體,混亂度增加,ΔS>0,在高溫條件下ΔG=ΔH-T·ΔS<0反應自發進行,故D錯誤。
C
4.下列反應中ΔH>0,ΔS>0的是 (　　)
A.CaCO3(s)====CaO(s)+CO2(g)
B.NH3(g)+HCl(g)====NH4Cl(s)
C.4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)====4Fe(OH)3(s)
D.任何溫度下均能自發進行2H2O2(l)====2H2O(l)+O2(g)
解析:CaCO3(s)====CaO(s)+CO2(g)是吸熱反應,氣體體積增大,故A正確;NH3(g)+HCl(g)====NH4Cl(s)是放熱反應,氣體體積減小,故B錯誤;4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)====4Fe(OH)3(s)是放熱反應,氣體體積減小,故C錯誤;2H2O2(l)====2H2O(l)+O2(g),ΔH>0,氣體體積增大的反應其ΔS>0,故D錯誤。
A
5.某反應CH3OH(l)+NH3(g)===CH3NH2(g)+H2O(g)在高溫時才能自發進行,則該反應過程的ΔH、ΔS判斷正確的是 (　　)
A.ΔH>0、ΔS<0　　　 B.ΔH>0、ΔS>0
C.ΔH<0、ΔS<0 D.ΔH<0、ΔS>0
【解析】選B。由反應可知,氣體的體積增大,則ΔS>0,ΔH-TΔS<0的反應可自發進行,該反應在高溫時才能自發進行,可知ΔH>0。
B
6.下列對化學反應方向的說法,正確的是 (　　)
A.同一物質的固、液、氣三種狀態的熵值遞減
B.常溫下反應2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s)能自發進行,則ΔH<0
C.CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)　ΔH>0,ΔS>0,不論在何種條件下都不可能自發進行
D.因為焓變和熵變都與反應的自發性有關,因此焓變或熵變均可以單獨作為判斷反應能否自發進行的判據
B
解析:同一物質的固、液、氣三種狀態的熵值遞增,A錯誤;常溫下反應2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s)　ΔS<0,能自發進行主要是因為ΔH<0,B正確;CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)　ΔH>0,ΔS>0,根據自由能判據可知,若自發進行,則 ΔG=ΔH-TΔS<0,即高溫下可自發進行,C錯誤;焓變和熵變都與反應的自發性有關,但焓變或熵變單獨作為判斷反應能否自發進行的判據是片面的,應該用復合判據綜合判斷,D錯誤。

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