資源簡(jiǎn)介

第三節(jié)　化學(xué)反應(yīng)的方向
課后·訓(xùn)練提升
基礎(chǔ)鞏固
1.下列說法正確的是(　　)。
A.凡是放熱反應(yīng)都是自發(fā)的,凡是吸熱反應(yīng)都是非自發(fā)的
B.自發(fā)反應(yīng)熵一定增大,非自發(fā)反應(yīng)熵一定減小或不變
C.自發(fā)反應(yīng)在適當(dāng)條件下才能實(shí)現(xiàn)
D.自發(fā)反應(yīng)在任何條件下都能實(shí)現(xiàn)
答案:C
解析:放熱反應(yīng)大多是能夠自發(fā)進(jìn)行的過程,而吸熱反應(yīng)有些也是自發(fā)反應(yīng);自發(fā)反應(yīng)的熵不一定增大,可能減小,也可能不變;過程的自發(fā)性只能用于判斷過程的方向,反應(yīng)是否能實(shí)現(xiàn)還要看具體的條件。
2.下列反應(yīng)中,在高溫下不能自發(fā)進(jìn)行的是(　　)。
A.CO(g)C(s)+O2(g)
B.2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)
C.(NH4)2CO3(s)NH4HCO3(s)+NH3(g)
D.MgCO3(s)MgO(s)+CO2(g)
答案:A
解析:在與外界隔離的體系中,自發(fā)過程將導(dǎo)致體系的熵增大,這個(gè)原理叫熵增原理,在用來判斷過程的方向時(shí),稱為熵判據(jù)。本題中A、B、C、D都是吸熱反應(yīng),其中B、C、D三個(gè)反應(yīng)又都是熵增大的反應(yīng),在高溫條件下能自發(fā)進(jìn)行;A反應(yīng)是熵減小的反應(yīng),在高溫下不能自發(fā)進(jìn)行。
3.下列有關(guān)說法正確的是(　　)。
A.SO2(g)+H2O(g)H2SO3(l),該過程熵值增大
B.SO2(g)S(s)+O2(g)　ΔH>0,ΔS<0,該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行
C.SO2(g)+2H2S(g)3S(s)+2H2O(l)　ΔH<0,低溫下能自發(fā)進(jìn)行
D.某溫度下SO2(g)+O2(g)SO3(g),K=
答案:C
解析:反應(yīng)由氣體物質(zhì)生成液體物質(zhì)是熵值減小的反應(yīng), A項(xiàng)不正確;ΔH>0,ΔS<0,反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行,B項(xiàng)不正確;C項(xiàng)中是一個(gè)ΔH<0、ΔS<0的反應(yīng),由ΔH-TΔS可知,反應(yīng)在低溫下能自發(fā)進(jìn)行,C項(xiàng)正確;D項(xiàng)中K=。
4.如圖,在圖1的 A、B兩容器里,分別收集著兩種互不反應(yīng)的氣體。若將中間活塞打開,兩種氣體分子立即都分布在兩個(gè)容器中(見圖2)。這是一個(gè)不伴隨能量變化的自發(fā)過程。關(guān)于此過程的下列說法中不正確的是(　　)。
圖1
圖2
A.此過程為混亂程度小的向混亂程度大的方向的變化過程,即熵增大的過程
B.此過程為自發(fā)過程,而且沒有熱量的吸收或放出
C.此過程從有序到無序,混亂度增大
D.此過程是自發(fā)可逆的
答案:D
解析:由題意知ΔH=0、ΔS>0,由ΔH-TΔS知該過程的逆過程不能自發(fā)進(jìn)行,所以D項(xiàng)錯(cuò)誤。
5.實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的一個(gè)舉措是將CO2轉(zhuǎn)化為可利用的資源。目前有一種方法是用CO2來生產(chǎn)燃料甲醇。一定條件下發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),如圖表示該反應(yīng)過程中能量(單位為kJ·mol-1)的變化。下列關(guān)于該反應(yīng)的說法正確的是(　　)。
A.ΔH>0,ΔS>0 B.ΔH>0,ΔS<0
C.ΔH<0,ΔS<0 D.ΔH<0,ΔS>0
答案:C
解析:根據(jù)反應(yīng)過程中能量變化的情況可知反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量,反應(yīng)放熱,ΔH<0;該反應(yīng)發(fā)生后氣體的物質(zhì)的量減小,ΔS<0。
6.下列反應(yīng)過程中,ΔH>0且ΔS>0的是(　　)。
A.NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s)
B.CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)
C.4Al(s)+3O2(g)2Al2O3(s)
D.HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)
答案:B
解析:A項(xiàng)是熵減的放熱反應(yīng);C項(xiàng)是熵減的放熱反應(yīng);D項(xiàng)是放熱反應(yīng)。
7.NH4HCO3在室溫下就能自發(fā)地分解產(chǎn)生氨氣,下列說法正確的是(　　)。
A.NH4HCO3分解是因?yàn)樯闪藲怏w,使體系的熵增大
B.NH4HCO3分解是因?yàn)橥饨缃o予了能量
C.NH4HCO3分解是吸熱反應(yīng),根據(jù)焓變判據(jù)不能自發(fā)分解
D.碳酸鹽都不穩(wěn)定,都能自發(fā)分解
答案:A
解析:NH4HCO3分解是吸熱反應(yīng),室溫下就能自發(fā)地分解產(chǎn)生氨氣,主要是因?yàn)樯闪藲怏w,使體系的熵增大?；瘜W(xué)反應(yīng)的自發(fā)性還與焓變有關(guān),不能由“NH4HCO3室溫下就能自發(fā)地分解”推測(cè)其他碳酸鹽的穩(wěn)定性,例如CaCO3室溫下很穩(wěn)定,需要高溫才能分解。
8.在其他條件不變時(shí),改變某一條件對(duì)aA(g)+bB(g)cC(g)化學(xué)平衡的影響,得到如圖所示圖像(α表示平衡轉(zhuǎn)化率),回答下列問題。
(1)在反應(yīng)Ⅰ中,已知p1>p2,正反應(yīng)為　　　(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng),也是一個(gè)反應(yīng)前后氣體分子數(shù)　　　　(填“減小”或“增大”)的反應(yīng),由此判斷,此反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行必須滿足的條件是　　　　。
(2)在反應(yīng)Ⅱ中,T1　　　　(填“>”“<”或“=”)T2,正反應(yīng)為　　　　(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。
(3)在反應(yīng)Ⅲ中,若T1>T2,試分析該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。
答案:(1)放熱　減小　低溫
(2)>　放熱
(3)反應(yīng)Ⅲ中在恒溫下壓強(qiáng)對(duì)α(A)沒有影響,此反應(yīng)的ΔS可視為0,又T1>T2,恒壓下溫度越高,α(A)越小,則ΔH<0。ΔH-TΔS<0,則反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。
解析:(1)反應(yīng)Ⅰ中恒壓條件下溫度升高,α(A)減小,即升高溫度平衡逆向移動(dòng),則正反應(yīng)為放熱反應(yīng);由p1>p2知,恒溫時(shí)壓強(qiáng)越大,α(A)越大,即增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng),說明正反應(yīng)為氣體體積縮小的反應(yīng);放熱、熵減的反應(yīng)只能在低溫下自發(fā)進(jìn)行。
(2)根據(jù)“先拐先平數(shù)值大”的原則判斷,反應(yīng)Ⅱ中T1>T2;溫度越高,平衡時(shí)C的物質(zhì)的量越小,即升高溫度平衡逆向移動(dòng),則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
(3)反應(yīng)Ⅲ中在恒溫下壓強(qiáng)對(duì)α(A)沒有影響,此反應(yīng)的ΔS可視為0,又T1>T2,恒壓下溫度越高,α(A)越小,則ΔH<0。ΔH-TΔS<0,則反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。
能力提升
1.反應(yīng)CH3OH(l)+NH3(g)CH3NH2(g)+H2O(g)在某溫度自發(fā)進(jìn)行,若反應(yīng)|ΔH|=17 kJ·mol-1,|ΔH-TΔS|=17 kJ·mol-1,對(duì)于該反應(yīng),下列關(guān)系正確的是(　　)。
A.ΔH>0,ΔH-TΔS<0
B.ΔH<0,ΔH-TΔS>0
C.ΔH>0,ΔH-TΔS>0
D.ΔH<0,ΔH-TΔS<0
答案:A
解析:該反應(yīng)在一定溫度下能夠自發(fā)地向右進(jìn)行,這說明ΔH-TΔS<0,根據(jù)方程式可知該反應(yīng)的ΔS>0,如果ΔH=-17 kJ·mol-1,則TΔS=0不符合事實(shí),如果ΔH=17 kJ·mol-1,則TΔS=34 kJ·mol-1,即ΔH>0。
2.灰錫結(jié)構(gòu)松散,不能用于制造器皿,而白錫結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,可以制造器皿。已知在0 ℃、100 kPa條件下白錫轉(zhuǎn)化為灰錫的反應(yīng)焓變和熵變分別為ΔH=-2 180.9 J·mol-1,ΔS=-6.61 J·(mol·K)-1?，F(xiàn)把白錫制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室內(nèi)存放,判斷它會(huì)不會(huì)變成灰錫而不能再繼續(xù)使用(　　)。
A.會(huì)變成灰錫
B.不會(huì)變成灰錫
C.不能確定
D.升高溫度才會(huì)變成灰錫
答案:A
解析:在等溫、等壓條件下,自發(fā)反應(yīng)總是向著ΔH-TΔS<0的方向進(jìn)行,直至達(dá)到平衡狀態(tài)。因此,0 ℃、100 kPa下,ΔH-TΔS=-2 180.9 J·mol-1-273 K×[-6.61 J·(mol·K)-1]=-376.37 J·mol-1<0,因此在該條件下白錫會(huì)變?yōu)榛义a。
3.下列對(duì)化學(xué)反應(yīng)預(yù)測(cè)正確的是(　　)。
選項(xiàng) 化學(xué)方程式 已知條件 預(yù)測(cè)
A M(s)X(g)+Y(s) ΔH>0 它是非 自發(fā)反應(yīng)
B W(s)+xG(g)2Q(g) ΔH<0,反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 x可能等 于1、2、3
C 4X(g)+5Y(g)4W(g)+6G(g) 反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 ΔH一 定小于0
D 4M(s)+N(g)+2W(l)4Q(s) 常溫下,反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 ΔH>0
答案:B
解析:根據(jù)ΔG=ΔH-TΔS,M(s)X(g)+Y(s),固體分解生成氣體,為熵增反應(yīng),即ΔS>0。ΔH>0時(shí),在高溫下能自發(fā)進(jìn)行,A項(xiàng)錯(cuò)誤;W(s)+xG(g)2Q(g)　ΔH<0,能自發(fā)進(jìn)行,若ΔS>0,任何溫度下都能自發(fā)進(jìn)行,若ΔS<0,在低溫條件下能自發(fā)進(jìn)行,所以,G的計(jì)量數(shù)不確定,x等于1、2或3時(shí),都符合題意,B項(xiàng)正確;4X(g)+5Y(g)4W(g)+6G(g)是熵增反應(yīng),當(dāng)ΔH>0時(shí),在高溫下能自發(fā)進(jìn)行,C項(xiàng)錯(cuò)誤;4M(s)+N(g)+2W(l)4Q(s)為熵減反應(yīng),常溫下能自發(fā)進(jìn)行,說明該反應(yīng)一定是放熱反應(yīng),D項(xiàng)錯(cuò)誤。
4.下列關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的方向的說法,錯(cuò)誤的是(　　)。
A.在一定條件下反應(yīng)2A(g)+B(g)3C(s)+D(g)能自發(fā)進(jìn)行,說明該反應(yīng)的ΔH<0
B.常溫下反應(yīng)2Na2SO3(s)+O2(g)2Na2SO4(s)能自發(fā)進(jìn)行,則ΔH<0
C.反應(yīng)2Mg(s)+CO2(g)C(s)+2MgO(s)能自發(fā)進(jìn)行,則該反應(yīng)的ΔH<0
D.反應(yīng)2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)的ΔH<0,ΔS>0
答案:D
解析:ΔH-TΔS<0的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。若反應(yīng)的ΔS<0,反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,則ΔH<0,A、B、C項(xiàng)正確;分解反應(yīng)2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)屬于吸熱反應(yīng),ΔH>0,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
5.二氧化碳的捕捉與封存是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的重要途徑之一,也是未來實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)。一些科學(xué)家利用太陽能加熱反應(yīng)器來“捕捉”空氣中的CO2(如圖所示)。下列說法中正確的是(　　)。
生石灰捕捉和封存二氧化碳的示意圖
A.步驟一中將反應(yīng)器加熱到400 ℃,可提高CaCO3的生成速率
B.步驟一中生成CaCO3的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)
C.步驟一與步驟二中的反應(yīng)互為可逆反應(yīng)
D.步驟二中反應(yīng)的ΔS<0
答案:A
解析:CaO與CO2的反應(yīng)為放熱反應(yīng),B項(xiàng)錯(cuò)誤;生成CaCO3的反應(yīng)和CaCO3分解反應(yīng)的反應(yīng)條件不同,兩者不互為可逆反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;反應(yīng)CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)的ΔS>0,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
6.焦炭常用于冶煉工業(yè)。已知反應(yīng)①為2C(s)+O2(g)2CO(g);反應(yīng)②為2CO(g)+O2(g)2CO2(g),反應(yīng)①、②的反應(yīng)趨勢(shì)與溫度的關(guān)系如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.反應(yīng)②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)的ΔS<0、ΔH<0
B.983 K是兩個(gè)反應(yīng)主次趨勢(shì)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)
C.l1對(duì)應(yīng)反應(yīng)①
D.當(dāng)溫度低于983 K時(shí),過量焦炭的氧化產(chǎn)物以反應(yīng)②生成CO2為主
答案:C
解析:生成物氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)之和小于反應(yīng)物氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)之和,所以ΔS<0,則-TΔS>0,根據(jù)ΔG=ΔH-TΔS,因?yàn)槟軡M足ΔG<0,所以ΔH<0,A項(xiàng)正確;ΔG越小,說明能自發(fā)反應(yīng)的趨勢(shì)越大,983 K時(shí)兩反應(yīng)的ΔG相等,之后兩反應(yīng)的ΔG大小關(guān)系發(fā)生變化,則反應(yīng)主次趨勢(shì)發(fā)生變化,所以983 K是反應(yīng)趨勢(shì)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),B項(xiàng)正確;反應(yīng)①的ΔS>0,則-ΔS<0,溫度越高,ΔG越小,l2對(duì)應(yīng)反應(yīng)①,C項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)溫度低于983 K時(shí),l1的ΔG更小,所以以反應(yīng)②為主,產(chǎn)物以CO2為主,D項(xiàng)正確。
7.(1)已知2CO(g)CO2(g)+C(s),T=980 K時(shí),ΔH-TΔS=0。當(dāng)體系溫度低于980 K時(shí),估計(jì)ΔH-TΔS　　　　(填“大于”“小于”或“等于”,下同)0;當(dāng)體系溫度高于980 K時(shí),估計(jì)ΔH-TΔS　　　0。
(2)電子工業(yè)中清洗硅片上SiO2(s)的反應(yīng)為SiO2(s)+4HF(g)SiF4(g)+2H2O(g)　ΔH(298.15 K)=-94.0 kJ·mol-1、ΔS(298.15 K)=-75.8 J·mol-1·K-1,設(shè)ΔH和ΔS不隨溫度而變化,則此反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的溫度范圍是　　　　　　　　。
(3)25 ℃、1.01×105 Pa時(shí),反應(yīng):2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)ΔH=+56.76 kJ·mol-1能自發(fā)進(jìn)行的原因是　 。
(4)將水蒸氣通過紅熱的炭即產(chǎn)生水煤氣,熱化學(xué)方程式為C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)　ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1。該反應(yīng)在低溫下能否自發(fā)進(jìn)行 　　　　(填“能”或“不能”)。
答案:(1)小于　大于　(2)T<1 240 K　(3)常溫下熵變?chǔ)對(duì)反應(yīng)的方向起決定作用　(4)不能
解析:(1)C(s)+CO2(g)2CO(g)的反應(yīng)為吸熱反應(yīng),ΔH>0,則2CO(g)CO2(g)+C(s)為放熱反應(yīng),ΔH<0,且該反應(yīng)ΔS<0,則當(dāng)T<980 K時(shí),ΔH-TΔS<0,T>980 K時(shí),ΔH-TΔS>0。
(2)由題給信息可知,要使反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,應(yīng)有ΔH-TΔS<0,
即-94.0 kJ·mol-1-T×(-75.8×10-3 kJ·mol-1·K-1)<0,則T< K≈1 240 K。
(3)該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,說明ΔH-TΔS<0,而該反應(yīng)的ΔH>0、ΔS>0,又因該反應(yīng)在常溫下可自發(fā)進(jìn)行,故ΔS對(duì)反應(yīng)方向起決定作用。
(4)題給反應(yīng)中ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1=0.133 7 kJ·mol-1·K-1,根據(jù)ΔH-TΔS<0為自發(fā)反應(yīng)可知,在T>≈982.0 K時(shí)該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,由此可知該反應(yīng)在低溫下不能自發(fā)進(jìn)行。
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第三節(jié)　化學(xué)反應(yīng)的方向
目 標(biāo) 素 養(yǎng)
1.知道化學(xué)反應(yīng)是有方向的。
2.知道化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變和熵變有關(guān)。
知 識(shí) 概 覽
1.自發(fā)過程與自發(fā)反應(yīng)。
(1)自發(fā)過程:自然界中有一些過程是自發(fā)進(jìn)行的,而且是有
方向性的。例如,水總是自發(fā)地從高處流向低處,而相反的過程卻不能自發(fā)進(jìn)行。
(2)自發(fā)反應(yīng):有些化學(xué)反應(yīng)也是自發(fā)進(jìn)行的,而且具有方向性。
2.焓變與反應(yīng)的方向。
(1)放熱反應(yīng)過程中體系能量降低,因此具有自發(fā)進(jìn)行的傾向,科學(xué)家提出用焓變(能量變化)來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向,這就是焓判據(jù)(能量判據(jù))。
(2)焓變與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的關(guān)系。
①多數(shù)放熱反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的。例如燃燒反應(yīng)、中和反應(yīng)等。
②有些吸熱反應(yīng)也可以自發(fā)進(jìn)行,如:
2N2O5(g)══4NO2(g)+O2(g)　ΔH=+109.8 kJ·mol-1。
結(jié)論:只用焓判據(jù)判斷反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行不全面。
3.熵變與反應(yīng)的方向。
(1)熵、熵變的概念。
(2)熵值大小。
①體系的熵值:體系的混亂程度越大,體系的熵值就越大。
②同一物質(zhì)的熵值:S(g) > S(l) > S(s),同一條件下,不同物質(zhì)的熵值不同。
(3)熵判據(jù):體系有自發(fā)地向混亂度增加(即熵增)的方向轉(zhuǎn)變的傾向,因此可用熵變來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。
(4)熵變與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的關(guān)系。
①許多熵增的反應(yīng)是自發(fā)的(多是氣體分子數(shù)目增多的反應(yīng)),如
2H2O2(aq)══2H2O(l)+O2(g);
2KClO3(s)══2KCl(s)+3O2(g)。
②有些熵減的反應(yīng)也可以自發(fā)進(jìn)行,如:
2NO(g)+2CO(g)══N2(g)+2CO2(g);
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)══4Fe(OH)3(s)
結(jié)論:只用熵判據(jù)判斷反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行不全面。
4.大量事實(shí)證明,綜合考慮　焓變　和　熵變　可以判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。
微判斷 (1)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向與ΔH、ΔS有關(guān)。(　　)
(2)NH4Cl(s)══NH3(g)+HCl(g)的ΔS>0。(　　)
(3)同一種物質(zhì),氣態(tài)時(shí)熵值最大,固態(tài)時(shí)熵值最小。(　　)
(4)ΔS>0的反應(yīng)都是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)。(　　)
(5)能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)常溫下一定能發(fā)生,但反應(yīng)速率不能確定。(　　)
√
√
√
×
×
微訓(xùn)練1.一定條件下發(fā)生反應(yīng)CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g)。如圖表示該反應(yīng)過程中能量(單位為kJ·mol-1)的變化:
關(guān)于該反應(yīng)的下列說法中,正確的是(　　)。
A.ΔH>0,ΔS>0
B.ΔH>0,ΔS<0
C.ΔH<0,ΔS<0
D.ΔH<0,ΔS>0
答案:C
解析:根據(jù)圖像可知,反應(yīng)物能量高于生成物能量,為放熱反應(yīng),即ΔH<0,又知反應(yīng)為氣體體積縮小的反應(yīng),即ΔS<0,C項(xiàng)正確。
2.判斷下列各變化過程中熵的變化。
(1)NH4NO3爆炸:2NH4NO3(s)══2N2(g)+4H2O(g)+O2(g)。(　　)
(2)水煤氣轉(zhuǎn)化:CO(g)+H2O(g)══CO2(g)+H2(g)。(　　)
(3)臭氧的生成:3O2(g)══2O3(g)。(　　)
a.熵增 b.熵減 c.不變 d.熵變很小
答案:(1)a　(2)d　(3)b
解析:(1)NH4NO3的爆炸反應(yīng)中氣體的物質(zhì)的量增大,該過程是熵增的過程;(2)水煤氣轉(zhuǎn)化過程中氣體的物質(zhì)的量不變,該過程的熵變很小;(3)生成臭氧后,氣體的物質(zhì)的量減小,該過程是熵減的過程。
化學(xué)反應(yīng)方向的判斷
問題探究
汽車尾氣中的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳,它們是現(xiàn)代化城市中的重要大氣污染物。
為了減輕大氣污染,人們提出通過以下反應(yīng)來處理汽車尾氣:
2NO(g)+2CO(g)══N2(g)+2CO2(g)
1.閱讀材料分析如何判斷上述反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行 你需要知道哪些物理量
提示:可以利用反應(yīng)的焓變和熵變來判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。
2.查閱資料可知上述反應(yīng)的ΔH=-746.8 kJ·mol-1、ΔS=-197.5 J·mol-1·K-1。試著分析該反應(yīng)室溫(298 K)下能否自發(fā)進(jìn)行
提示:該反應(yīng)室溫時(shí)ΔG=ΔH-TΔS≈-687.9 kJ·mol-1<0,能自發(fā)進(jìn)行。
歸納總結(jié)
1.化學(xué)反應(yīng)方向與焓變的關(guān)系。
(1)化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變有關(guān),但不能只根據(jù)焓變判斷反應(yīng)的方向;
(2)大多數(shù)放熱反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;
(3)能自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng),體系的混亂程度一定增大(即熵增)。
2.化學(xué)反應(yīng)方向與熵變的關(guān)系。
(1)化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的熵變有關(guān),但不能只根據(jù)熵變判斷反應(yīng)的方向;
(2)熵增且放熱的化學(xué)反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;
(3)能自發(fā)進(jìn)行的熵減的化學(xué)反應(yīng),一定是放熱反應(yīng)。
3.自由能判據(jù)。
在等溫、等壓條件下的封閉體系中,可用ΔG的值來判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。
ΔG=ΔH-TΔS<0,反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;
ΔG=ΔH-TΔS=0,反應(yīng)處于平衡狀態(tài);
ΔG=ΔH-TΔS>0,反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。
溫度與反應(yīng)方向的關(guān)系:
典例剖析
【例】 已知“凡氣體分子總數(shù)增多的反應(yīng)一定是熵增大的反應(yīng)”。一定條件下,下列反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行的是(　　)。
A.2O3(g)══3O2(g)　ΔH<0
B.2CO(g)══2C(s)+O2(g)　ΔH>0
C.N2(g)+3H2(g)══2NH3(g)　ΔH<0
D.CaCO3(s)══CaO(s)+CO2(g)　ΔH>0
答案:B
解析:A項(xiàng),ΔH<0,ΔS>0的反應(yīng)一定能自發(fā)進(jìn)行;B項(xiàng), ΔH>0,ΔS<0的反應(yīng)一定不能自發(fā)進(jìn)行;C項(xiàng),反應(yīng)是ΔH<0, ΔS<0的反應(yīng),一定條件下可以自發(fā)進(jìn)行;D項(xiàng),反應(yīng)是ΔH>0, ΔS>0的反應(yīng),一定條件下可以自發(fā)進(jìn)行。
方法歸納 化學(xué)反應(yīng)方向的判斷。 在一定條件下,一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行,既與焓變有關(guān),又與熵變有關(guān)。 (1)在等溫、等壓條件下,反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行,由ΔG=ΔH-TΔS的值來決定。 (2)復(fù)合判據(jù)只適用于判斷等溫、等壓條件下的反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行,不適用于判斷其他條件。
(3)反應(yīng)的自發(fā)性只能用于判斷反應(yīng)的方向性,反應(yīng)是否能實(shí)現(xiàn),還要看具體的條件。過程的自發(fā)性只是一種趨勢(shì),過程要發(fā)生,必須具備一定的條件。
學(xué)以致用
某化學(xué)反應(yīng)的ΔH=-122 kJ·mol-1,ΔS=-431 J·mol-1·K-1,則以下關(guān)于此反應(yīng)的自發(fā)性描述中正確的是(　　)。
A.在任何溫度下都能自發(fā)進(jìn)行
B.僅在低溫下能自發(fā)進(jìn)行
C.僅在高溫下能自發(fā)進(jìn)行
D.在任何溫度下都不能自發(fā)進(jìn)行
答案:B
解析:ΔH<0,ΔS<0時(shí),低溫有利于自發(fā)進(jìn)行。
易錯(cuò)提醒 (1)一般來說,如果一個(gè)過程是自發(fā)的,則其逆過程往往是非自發(fā)的。 (2)自發(fā)反應(yīng)和非自發(fā)反應(yīng)是可能相互轉(zhuǎn)化的,某一條件下的自發(fā)反應(yīng)可能在另一條件下就是非自發(fā)反應(yīng)。如2NO(g)+O2(g)══2NO2(g)是常溫下的自發(fā)反應(yīng),而在高溫條件下其逆反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)。
(3)過程的自發(fā)性只能用于判斷過程的方向,不能確定過程是否一定會(huì)發(fā)生以及過程發(fā)生的速率。如涂有防銹漆和未涂有防銹漆的銅制品器件,它們發(fā)生腐蝕過程的自發(fā)性是相同的,但只有后者可以實(shí)現(xiàn)。
1.下列關(guān)于自發(fā)反應(yīng)的敘述中,正確的是(　　)。
A.自發(fā)反應(yīng)的逆過程在相同條件下也必定是自發(fā)的
B.鐵在潮濕的空氣中生銹屬于非自發(fā)反應(yīng)
C.自發(fā)過程可以是物理過程,不一定是自發(fā)反應(yīng),而自發(fā)反應(yīng)一定是自發(fā)過程
D.自發(fā)反應(yīng)與外界條件無關(guān)
答案:C
2.“熵”表示體系的混亂度,它的符號(hào)是“S”。下列變化中,ΔS<0的是(　　)。
A.3Fe(s)+4H2O(g)══Fe3O4(s)+4H2(g)
B.2NO2(g)══N2O4(l)
C.2IBr(l)══I2(s)+Br2(g)
D.(NH4)2CO3(s)══2NH3(g)+CO2(g)+H2O(g)
答案:B
解析:氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)ΔS<0。
3.25 ℃和1.01×105 Pa時(shí),反應(yīng)2N2O5(g)══4NO2(g)+O2(g)　ΔH=+109.8 kJ·mol-1,自發(fā)進(jìn)行的原因是(　　)。
A.是吸熱反應(yīng) B.是放熱反應(yīng)
C.是熵減小的反應(yīng) D.熵增效應(yīng)大于焓增效應(yīng)
答案:D
解析:根據(jù)熱化學(xué)方程式可知,該反應(yīng)是吸熱反應(yīng),是熵增的反應(yīng),吸熱反應(yīng)不利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行,熵增反應(yīng)有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行,所以該反應(yīng)的熵增效應(yīng)大于焓增效應(yīng)。
4.已知石墨、金剛石燃燒的熱化學(xué)方程式分別為:
C(石墨,s)+O2(g)══CO2(g)　ΔH(298 K)=-393.5 kJ·mol-1
C(金剛石,s)+O2(g)══CO2(g)　ΔH(298 K)=-395.4 kJ·mol-1
已知相同條件下石墨的熵值大于金剛石。
從理論上判斷下列關(guān)于金剛石和石墨的相互轉(zhuǎn)化的說法正確的是(　　)。
A.石墨轉(zhuǎn)化成金剛石是自發(fā)進(jìn)行的過程
B.石墨轉(zhuǎn)化成金剛石的反應(yīng)必須借助外動(dòng)力
C.石墨轉(zhuǎn)化為金剛石僅在高溫下自發(fā)
D.金剛石轉(zhuǎn)化為石墨僅在高溫下自發(fā)
答案:B
解析:①C(石墨,s)+O2(g)══CO2(g)　ΔH(298 K)=-393.5 kJ·mol-1;②C(金剛石,s)+O2(g)══CO2(g)　ΔH(298 K)=
-395.4 kJ·mol-1,根據(jù)蓋斯定律,由①-②可得C(石墨,s)══ C(金剛石,s)　ΔH>0。已知相同條件下石墨的熵值大于金剛石,故上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)是個(gè)熵減的反應(yīng),根據(jù)復(fù)合判據(jù)ΔG=ΔH-TΔS可知,石墨轉(zhuǎn)化成金剛石不是自發(fā)進(jìn)行的過程,A、C項(xiàng)錯(cuò)誤;由A項(xiàng)分析知石墨轉(zhuǎn)化成金剛石的反應(yīng)必須借助外動(dòng)力,B項(xiàng)正確;金剛石轉(zhuǎn)化為石墨為熵增焓減的反應(yīng),在任意溫度下自發(fā)進(jìn)行,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
5.在化學(xué)反應(yīng)A(g)+B(g) 2C(g)+D(g)　ΔH=Q kJ·mol-1過程中的能量變化如下圖所示?；卮鹣铝袉栴}。
(1)Q　　　　(填“>”“<”或“=”)0。
(2)熵變?chǔ)　　　(填“>”“<”或“=”)0。
(3)該反應(yīng)　　　　(填“能”或“不能”)自發(fā)進(jìn)行。
(4)升高溫度平衡常數(shù)K　　　　(填“增大”“減小”或“不變”),平衡向　　　　(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向移動(dòng)。
答案:(1)<
(2)>
(3)能
(4)減小　逆反應(yīng)
解析:(1)根據(jù)圖像可知,該反應(yīng)是放熱反應(yīng),故Q<0;(2)據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)可知,該反應(yīng)是熵值增大的反應(yīng);(3)根據(jù)ΔG=ΔH-TΔS<0可知該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行;(4)升高溫度,平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng),平衡常數(shù)減小。

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