2020-2021學(xué)年魯科版選修4 第二單元第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的方向 學(xué)案
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1、知識像燭光,能照亮一個人,也能照亮無數(shù)的人。--培根 第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的方向 目標(biāo)與素養(yǎng):1.了解焓變與熵變的含義。(宏觀辨識)2.理解焓變、熵變與反應(yīng)方向的關(guān)系。(證據(jù)推理)3.能綜合運用焓變與熵變判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。(模型認(rèn)知) 1.反應(yīng)焓變與反應(yīng)方向 (1)自發(fā)過程 ①含義:在溫度和壓強一定的條件下,不借助光、電等外部力量就能自動進(jìn)行的過程。 ②特點 a.體系趨向于從高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰繝顟B(tài)。 b.在密閉條件下,體系趨向于從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)。 c.具有方向性:即過程的某個方向在一定條件下是自發(fā)的,而其逆方向在該條件下肯定不能自發(fā)。 微點撥:自發(fā)
2、過程需要在一定的溫度和壓強下才可以發(fā)生。 (2)反應(yīng)焓變與反應(yīng)方向的關(guān)系 ①能自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)多數(shù)是ΔH<0的反應(yīng)。 ②有些ΔH>0的反應(yīng)也能自發(fā)進(jìn)行。 ③反應(yīng)的焓變是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的影響因素,但不是唯一因素。 2.反應(yīng)熵變與反應(yīng)方向 (1)熵 ①概念:描述體系混亂度的一個物理量,符號為S,單位是J·mol-1·K-1。 ②特點:混亂度越大,體系越無序,體系的熵值就越大。 ③影響因素。 a.同一物質(zhì):S(高溫)>S(低溫),S(g)>S(l)>S(s)。 b.不同物質(zhì):相同條件下不同物質(zhì)具有不同的熵值,分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,熵值越大。 c.S(混合物)>S(純凈物)。
3、(2)反應(yīng)熵變 (3)反應(yīng)熵變與反應(yīng)方向 ①二者關(guān)系。 ②結(jié)論:熵變是與反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行有關(guān)的一個因素,但不是唯一因素。 微點撥:熵變正負(fù)的判斷 (1)物質(zhì)由固態(tài)到液態(tài)、由液態(tài)到氣態(tài)或由固態(tài)到氣態(tài)的過程,熵變?yōu)檎?,是熵增加的過程。 (2)氣體體積增大的反應(yīng),熵變通常都是正值,是熵增加的反應(yīng)。 (3)氣體體積減小的反應(yīng),熵變通常都是負(fù)值,是熵減小的反應(yīng)。 3.焓變與熵變對反應(yīng)方向的共同影響 (1)反應(yīng)方向的判據(jù) 在溫度和壓強一定的條件下,化學(xué)反應(yīng)的方向是反應(yīng)的焓變和熵變共同影響的結(jié)果。反應(yīng)的判據(jù)為ΔH-TΔS。 (2)文字表述 在溫度和壓強一定的條件下,
4、自發(fā)反應(yīng)總是向ΔH-TΔS<0的方向進(jìn)行,直至達(dá)到平衡狀態(tài)。 (3)局限性 ①只能用于一定溫度和壓強條件下的反應(yīng),不能用于其他條件下的反應(yīng)。 ②僅僅可以用于判斷溫度和壓強一定的條件下反應(yīng)自動發(fā)生的趨勢,不能說明反應(yīng)在該條件下能否實際發(fā)生。 微點撥:在ΔH和ΔS確定的情況下,溫度有可能對反應(yīng)的方向起決定作用。 1.判斷對錯(對的在括號內(nèi)打“√”,錯的在括號內(nèi)打“×”。) (1)CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)是一個熵減過程。 ( ) (2)-10 ℃的水結(jié)成冰,可用熵變的判據(jù)來解釋該變化過程的自發(fā)性。 ( ) (3)吸熱且熵增加的反應(yīng),溫度越低反應(yīng)越可能自
5、發(fā)進(jìn)行。 ( ) (4)由焓判據(jù)和熵判據(jù)組合而成的復(fù)合判據(jù),將更適合于所有的過程。 ( ) (5)一個反應(yīng)的ΔH-TΔS=0,則該反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 ( ) [提示] (1)× CaCO3分解反應(yīng)是一個氣體物質(zhì)的量增多的反應(yīng),故為熵增過程。 (2)×?。?0 ℃的水結(jié)成冰是一個熵減過程,該過程能自發(fā)進(jìn)行,應(yīng)用焓變的判據(jù)解釋,即ΔH<0是該過程自發(fā)進(jìn)行的主要原因。 (3)× 當(dāng)ΔH>0、ΔS>0,溫度越高越可能使ΔH-TΔS<0,即有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。 (4)√ (5)√ 2.自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)一定是( ) A.吸熱反應(yīng) B.放熱反應(yīng) C.熵增加反應(yīng) D.ΔH-
6、TΔS<0 D [ΔH-TΔS<0的反應(yīng)為自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)。] 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(yīng)生成CO(g):ΔS>0 C.氣態(tài)水變成液態(tài)水:ΔS>0 D.CaCO3(s)受熱分解為CaO(s)和CO2(g):ΔS>0 C [A項,NaCl(s)―→NaCl(aq) ΔS>0;B項,2C(s)+O2(g) 2CO(g) ΔS>0;C項,H2O(g)―→H2O(l) ΔS<0;D項,CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔS>0。] 化學(xué)反應(yīng)方向的判斷 1.放熱和熵增加都對ΔH-TΔS<0有所貢獻(xiàn),因
7、此放熱的熵增加反應(yīng)一定能自發(fā)進(jìn)行,吸熱的熵減小反應(yīng)一定不能自發(fā)進(jìn)行。 2.當(dāng)反應(yīng)的焓變和熵變的影響相反,且二者大小相差懸殊時,某一因素可能占主導(dǎo)地位。 一般常溫下自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng),焓變對反應(yīng)方向起決定性作用。 一般常溫下自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng),熵變對反應(yīng)方向起決定性作用。 3.如果反應(yīng)的焓變和熵變的影響相反且相差不大時,溫度可能對反應(yīng)的方向起決定性作用。 溫度與反應(yīng)方向的關(guān)系: 4.ΔH與ΔS共同影響一個化學(xué)反應(yīng)在一定條件下能否自發(fā)進(jìn)行,它們與化學(xué)反應(yīng)速率無關(guān)。 【典例】 工業(yè)上利用甲烷制取碳黑的反應(yīng)是 ①CH4(g)===C(s)+2H2(g) ΔH(298 K)=74.
8、848 kJ·mol-1 ΔS(298 K)=80.674 J·mol-1·K-1 反應(yīng)過程中容易發(fā)生副反應(yīng): ②2CH4(g)===C2H2(g)+3H2(g) ΔH(298 K)=376.426 kJ·mol-1 ΔS(298 K)=220.211 J·mol-1·K-1 下列有關(guān)說法中正確的是( ) A.反應(yīng)①在常溫下就可以自發(fā)進(jìn)行 B.焓變是副反應(yīng)②自發(fā)進(jìn)行的決定因素 C.制取碳黑允許的最低溫度是927.8 K D.溫度越高對制取碳黑越有利 C [ΔH-TΔS=74.848 kJ·mol-1-80.674×10-3 kJ·mol-1·K-1×298 K≈50.8
9、07 kJ·mol-1>0,所以該反應(yīng)常溫下不自發(fā)進(jìn)行,A錯誤;反應(yīng)②是熵增加的吸熱反應(yīng),熵變是決定該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的因素,B錯誤;制取碳黑時,ΔH-TΔS=74.848 kJ·mol-1-80.674×10-3 kJ·mol-1·K-1×T<0,得T>927.8 K,即制取碳黑的最低溫度為927.8 K,C正確;溫度過高時,可能會發(fā)生反應(yīng)②,D錯誤。] (1)C(s)+2H2(g)===CH4(g)在常溫常壓下________(填“能”或“不能”)自發(fā)進(jìn)行? (2)由副反應(yīng)②可知,制取乙炔的最低溫度是________。 [答案] (1)能 (2)1 709.4 K (1)在
10、利用ΔH-TΔS作為判據(jù)判斷反應(yīng)方向時,給出ΔH的單位通常為kJ·mol-1,ΔS的單位通常是J·mol-1·K-1,進(jìn)行計算時應(yīng)將二者的單位統(tǒng)一。 (2)利用ΔH、ΔS的符號和ΔH-TΔS進(jìn)行推理,可以減少計算量。 1.在25 ℃、1.01×105 Pa下,反應(yīng)2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) ΔH=56.7 kJ·mol-1能自發(fā)進(jìn)行的合理解釋是( ) A.該反應(yīng)是分解反應(yīng) B.該反應(yīng)的熵增效應(yīng)大于焓變效應(yīng) C.該反應(yīng)是熵減反應(yīng) D.該反應(yīng)是放熱反應(yīng) B [該反應(yīng)是吸熱反應(yīng),但不能只用焓判據(jù)來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。該反應(yīng)是熵增反應(yīng),且能夠自發(fā)進(jìn)行,說明
11、該反應(yīng)的熵增效應(yīng)大于焓變效應(yīng),B項正確。] 2.對于平衡體系mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),下列結(jié)論正確的是( ) A.若此反應(yīng)為放熱反應(yīng),則該反應(yīng)在任何條件下均可自發(fā)進(jìn)行 B.若m+n
12、變成冰 C.墨水滴到水中會擴散到整個水體 D.鐵器暴露在潮濕的空氣中會生銹并放出熱量 C [熵變在某種意義上可以理解為體系混亂程度的變化,體系中微粒排列越規(guī)則,熵越小,越混亂,熵越大。C項中墨水在水中擴散開是熵增加的過程。故選C項。] 2.以下反應(yīng)均為自發(fā)反應(yīng),其中不能用焓判據(jù)解釋的是( ) A.2Na(s)+Cl2(g)===2NaCl(s) ΔH<0 B.C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(l) ΔH<0 C.2NH4Cl(s)+Ca(OH)2(s)===2NH3(g)+CaCl2(s)+2H2O(l) ΔH>0 D.2Mg(s)+O2(g)===
13、2MgO(s) ΔH<0 C [C項反應(yīng)的ΔH>0,由焓判據(jù)判斷反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行,而題給條件是能自發(fā)進(jìn)行,所以C項中的反應(yīng)不能用焓判據(jù)解釋。] 3.下列說法正確的是( ) A.氨氣和氯化氫的反應(yīng)是熵增加的反應(yīng) B.氨氣和氯化氫的反應(yīng)是焓增加的反應(yīng) C.碳酸氫銨的分解是熵增加的反應(yīng) D.碳酸氫銨的分解由于是焓減小的反應(yīng),所以不能自發(fā)進(jìn)行 C [氨氣和氯化氫的反應(yīng)是氣體體積減小的化合反應(yīng),所以熵減小、焓減??;碳酸氫銨的分解是一個氣體體積增加的分解反應(yīng),所以是一個熵增加、焓增加的反應(yīng)。] 4.某反應(yīng)2AB(g)C(g)+3D(g)在高溫時能自發(fā)進(jìn)行,其逆反應(yīng)在低溫時能自發(fā)進(jìn)行,則該
14、反應(yīng)的ΔH、ΔS應(yīng)為( ) A.ΔH<0、ΔS>0 B.ΔH<0、ΔS<0 C.ΔH>0、ΔS>0 D.ΔH>0、ΔS<0 C [A項,ΔH<0、ΔS>0時,ΔH-TΔS在任何溫度下小于0;B項,ΔH<0、ΔS<0時,ΔH-TΔS在低溫下小于0;C項,ΔH>0、ΔS>0時,ΔH-TΔS在高溫下小于0;D項,ΔH>0、ΔS<0時,ΔH-TΔS在任何溫度下大于0。] 5.已知電子工業(yè)中清洗硅片上的SiO2(s)的反應(yīng)為SiO2(s)+4HF(g)===SiF4(g)+2H2O(l) ΔH(298.15 K)=-94.0 kJ·mol-1,ΔS(298.15 K)=-75.8 J·mol-1·K-1,假設(shè)ΔH和ΔS不隨溫度而變化,則此反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行時的溫度__________________________。 [解析] 要使反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行,則ΔH-TΔS<0,即-94.0 kJ·mol-1-T×(-75.8 J·mol-1·K-1)×10-3kJ·J-1<0,故T<≈1 240 K。 [答案] 小于1 240 K - 7 - / 7
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