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專題2 化學反應速率與化學平衡
第二單元 化學反應的方向和限度
化學反應的方向
［課標要求］
1.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。
2.了解可逆反應的含義，知道可逆反應在一定條件下能達到化學平衡。
3.認識化學平衡常數是表征反應限度的物理量，知道化學平衡常數的含義。
4.能書寫平衡常數表達式，能進行平衡常數、轉化率的簡單計算，能利用平衡常數和濃度商的關系判斷化學反應是否達到平衡及平衡移動的方向。
1．知道自發過程和自發反應的主要特點。
2．知道焓判據、熵判據的含義，會用焓變和熵變判斷反應進行的方向。
【學習目標】
交流討論
1.自然界中許多過程都有方向性，請舉例說明，并找出其中的規律。
（1）體系趨向于從能量較高狀態轉變為能量較低狀態（能量最低原理），即從不穩定狀態轉變為穩定狀態（體系對外做功或者放出能量）
（2）體系趨向于從有序狀態自發轉變為無序狀態（混亂度增大）
水往低處流——勢能降低
常溫下，冰→液態水——分子分散
低溫下，液態水→冰——動能降低
氯化鈉溶于水→離子分散在水中
2.許多化學反應也具有方向性，下列化學反應在什么條件下能夠自發進行？
①水分解成氫氣和氧氣的反應
②氯氣和溴化鉀溶液的反應
③乙烯和溴單質的反應
④氮氣和氧氣生成一氧化氮的反應
有的化學反應在常溫下就可以自動進行，有的反應需要一定的條件才能自動進行。
1.自發過程：在一定條件下，不借助外力而自發進行的過程。
2.自發反應：在一定溫度和壓強下，無需外界幫助就能自動進行的反應。
自發反應是指在一定條件下可以自動進行的反應。如溫度、光照、催化劑、壓強等條件。
有的反應正反應不是自發反應，但是逆反應是自發反應。
觀察思考
下列反應在一定條件下都能自發進行，你知道這些反應能自發
的可能原因嗎？
1.C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(l) ΔH= - 2217.5kJ·mol-1
2.2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl(s) ΔH= - 822kJ·mol-1
3.4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s) ΔH= - 1648.4kJ·mol-1
4.H2(g)+F2(g)=2HF(g) ΔH= - 546.6kJ·mol-1
如何判斷一個化學反應能否自發進行？
在恒壓下，有些自發進行的化學反應是放熱的（ΔH＜0）。
放熱反應過程中體系能量降低。
該反應能自發進行的可能原因是什么？
實驗探究
NH4Cl晶體與氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]混合
NH4Cl晶體與氫氧化鋇晶體[Ba(OH)2·8H2O]混合，觀察實驗現象，并思考問題。
1.該反應是吸熱反應還是放熱反應？
2.該反應能自發進行的原因是什么？
反應焓變與化學反應的方向
（1）若ΔH<0，絕大多數反應能自發進行。
（2）并不是所有的自發反應都是ΔH<0，有的吸熱過程或吸熱反應也能自發進行。
觀察思考
下列三個過程均吸熱：
1.硝酸銨溶解：NH4NO3(s)=NH4+(aq)+NO3-(aq)
2.碳酸鈣分解： CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
3.氯化銨晶體和氫氧化鋇晶體的反應： 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l)
上述變化在一定條件下都能自發進行。請分析其中的原因。
有序
混亂
容易
化學反應進行方向的判斷依據
分析下列過程能自發進行的可能原因：
1. 硝酸銨的溶解 NH4NO3(s)=NH4+(aq)＋NO3－(aq)
溶于水后形成水合離子，無序地分散在溶液中，即體系的混亂度增大
硝酸銨溶解前，晶體中硝酸根離子與銨根離子規則排列
化學反應進行方向的判斷依據
分析下列過程能自發進行的可能原因：
2. 碳酸鈣的分解 CaCO3(s)=CaO(s)＋CO2(g)
3. 氯化銨晶體與氫氧化鋇晶體的反應
2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)＋BaCl2(s)＋10H2O(l)
碳酸鈣分解成二氧化碳氣體，
氯化銨晶體與氫氧化鋇晶體反應生成氨氣，氣體的產生會導致體系的混亂度增大。
大多數的自發反應有趨向于體系混亂度增大的傾向。
熵：衡量一個體系混亂度的物理量。符號：S 單位：J·mol-1·K-1
微粒之間無規則排列的程度增大，體系的熵增大。
反應的熵變：反應前后體系熵的變化。 符號：ΔS
ΔS＝S(生成物)－S(反應物)。
若化學反應為熵增（ΔS>0）反應，反應過程中反應體系的混亂度增大，在一定條件下能自發進行。
反應熵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。
同一條件下，不同物質有不同的熵值，同一物質在不同狀態下熵值也不同，
一般規律是S(g)>S(l)> S(s)。
1.判斷下列過程的熵變（ ΔS ）大于零還是小于零。
①H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)
②CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
③NaOH(s)=Na+(aq)+OH-(aq)
④
2.下列變化過程中，ΔS<0的是（ ）
A.氯化鈉溶于水中
B.NH3(g)與HCl(g)反應生成NH4Cl(s)
C.干冰的升華 D.H2O2(l)在二氧化錳催化下生成H2(g)和H2O(l)
學以致用
ΔS>0
ΔS>0
ΔS>0
ΔS<0
B
ΔS增大：
①同種物質狀態s→l→g
②同種態物質的量（化學計量數）增大
3．下列對熵變的判斷中不正確的是(　　)
A．少量的食鹽溶解于水中：ΔS＞0
B．純碳和氧氣反應生成CO(g)：ΔS＞0
C．氣態水變成液態水：ΔS＞0
D．CaCO3(s)受熱分解為CaO(s)和CO2(g)：ΔS＞0
C
化學反應進行方向的判斷依據
ΔS<0體系的混亂度減小，不利于反應自發進行，但有些ΔS<0的化學反應也能自發進行。
ΔS>0體系的混亂度增大，有利于反應自發進行，但自發反應不一定ΔS>0。
熵變是判斷反應能否自發進行的一個因素，但不是唯一因素。
氫氣在氧氣中點燃生成水、氨氣與氯化氫反應生成氯化銨固體等
課堂探究
已知下列熱化學方程式：
Ag+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s) ΔH=-51.1kJ·mol-1
K(s)+H2O(l)=K+(aq)+OH-(aq)+1/2H2(g) ΔH=-196.6kJ·mol-1
2Mg(s)+O2(g)=MgO(s) ΔH=-1203.2kJ·mol-1
填寫下表，判斷上述過程的焓變和熵變是否有利于變化自發進行？
變 化 能否自發 焓變 熵變
CO2(s)→CO2(g)
2Mg(s)+O2(g)=MgO(s)
K(s)+H2O(l)=K+(aq)+OH-(aq)+1/2H2(g)
Ag+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s)
能 >0 >0
能 <0 <0
能 <0 >0
能 <0 <0
體系能量減小和混亂度增加都能促使反應自發進行，焓變和熵變共同制約著化學反應進行的方向。
焓變和熵變與化學反應的方向
要判斷一個化學反應能否自發進行，必須綜合考慮焓變（ΔH）和熵變（ΔS）
若ΔH-TΔS<0，則反應正向能自發進行
焓變ΔH 熵變ΔS ΔH-TΔS 反應能否自發進行
<0 >0 <0 一定自發
>0 <0 >0 一定非自發
<0 <0 低溫時<0 低溫自發
>0 >0 高溫時<0 高溫自發
化學反應進行方向的判斷依據
1876年，吉布斯提出自由能變化ΔG，并認為化學反應總是向著自由能減小（ΔG＜0）的方向進行，直至達到平衡。
在等溫、等壓條件的封閉體系中，
ΔG=ΔH-TΔS
T為熱力學溫度，為正值
溫度對反應方向的影響
焓負熵正定自發；
正正時高溫自發。
負負時低溫自發；
焓正熵負不自發。
ΔG=ΔH-TΔS<0
根據所學知識判斷，下列反應中，在所有溫度下都不自發進行的是(　　)A．2O3(g)= 3O2(g)　ΔH＜0B．2CO(g)= 2C(s)＋O2(g)　ΔH＞0C．N2(g)＋3H2(g)= 2NH3(g)　ΔH＜0 D．CaCO3(s)= CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＞0
B　2O3(g)= 3O2(g)的ΔS>0，ΔH＜0，則ΔH－TΔS<0，任何溫度下都能自發進行，A不符合題意；2CO(g)= 2C(s)＋O2(g)的ΔS<0，ΔH＞0，則ΔH－TΔS>0，任何溫度下都不能自發進行，B符合題意；N2(g)＋3H2(g)= 2NH3(g)的ΔS<0，ΔH＜0，則該反應在低溫下能自發進行，C不符合題意；CaCO3(s)= CaO(s)＋CO2(g)的ΔS>0，ΔH＞0，則該反應在高溫下可自發進行，D不符合題意。
能自發：ΔH－TΔS<0
汽車尾氣中的主要污染物是CO和NO，它們是現代化城市中的大氣污染物。為了減輕大氣污染，人們提出通過以下反應來處理汽車尾氣：
該反應在室溫下能自發進行嗎？
2NO(g) + 2CO(g) = N2(g) + 2CO2(g)
城市中越來越多的汽車
根據計算，298K、101kPa下，△H=-746.8kJ·mol -1
ΔS＝-197.5J·mol－1·K－1
△G =ΔH-T ΔS
=-746.8kJ·mol-1+298K×197.5×10-3 kJ·mol－1·K－1
=-687.945 kJ.mol-1<0
下列有關說法不正確的是___(填字母)。
A.C3H6(g)＋NH3(g)＋ O2(g)=C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1和C3H6(g)＋O2(g)=C3H4O(g)＋H2O(g)　ΔH＝－353 kJ·mol－1兩個反應在熱力學上趨勢均很大
B.Na與H2O的反應是熵增的放熱反應，該反應能自發進行
C.某吸熱反應能自發進行，因此該反應是熵增反應
D.2NO(g)＋2CO(g)=N2(g)＋2CO2(g)在常溫下能自發進行，則該反應的ΔH>0
E.反應SiO2(s)＋2C(s)=Si(s)＋2CO(g)只能在高溫下自發進行，則該反應的ΔH>0
F.反應BaSO4(s)＋4C(s)=BaS(s)＋4CO(g)在室溫下不能自發進行，說明該反應的ΔH>0
G.一定溫度下，反應MgCl2(l)=Mg(l)＋Cl2(g)的ΔH>0，ΔS>0
D
課堂練習
1．下列現象的發生，你認為是自發過程的有_______。
A．水由高處往低處流 B．氣溫升高冰雪融化
C．室溫下，水自動結成冰 D．生銹的鐵變光亮
AB
2．下列關于焓變與反應方向的敘述中正確的是(　　)
A．化學反應的焓變與其反應的方向無關
B．化學反應的焓變直接決定了反應的方向
C．反應焓變為正值時不利于反應自發進行
D．焓變為負值的反應都能自發進行
C
3．汽車尾氣(含烴類、CO、NO與SO2等)是城市主要污染源之一，治理的辦法之一是在汽車排氣管上裝催化轉化器，它使NO與CO反應生成可參與大氣生態循環的無毒氣體，其反應原理是2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)。由此可知，下列說法中正確的是(　　)
A．該反應是熵增大的反應
B．該反應不能自發進行，因此需要合適的催化劑
C．該反應常溫下能自發進行，高溫和催化劑條件只是加快反應的速率
D．該反應常溫下能自發進行，因為正反應是吸熱反應
答案：C
解析：只使用催化劑便可使尾氣發生轉化，故此反應能自發進行；因反應是氣體物質的量減小的反應，故熵減小；因熵減小不利于反應自發，故自發進行的原因是反應放熱。
判斷熵值大小思維模型：分子結構越復雜，體系越混亂，熵值越大。
同物質：g>l>s;
同狀態：物質的量多的>物質的量少的；
同物質同狀態：溫度高>溫度低的、壓強低的>壓強高的；
同狀態同物質的量的不同物質：分子所含原子數越多、摩爾質量越大，熵值越大，若原子數相同則中子與質子數之和越大，熵值越大，晶體微觀結構越無序，熵值越大。
2022浙江. AB型強電解質在水中的溶解(可視作特殊的化學反應)表示為AB(s)=An+(aq)+Bn-(aq)，其焓變和熵變分別為ΔH和ΔS。對于不同組成的AB型強電解質，下列說法正確的是A. ΔH和ΔS均大于零B. ΔH和ΔS均小于零C. ΔH可能大于零或小于零，ΔS大于零D. ΔH和ΔS均可能大于零或小于零
D
B

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