第二章 化学反应速率与化学平衡\n第三节 化学反应的方向\n学习目标核心素养1．了解自发过程和化学反应的自发性。2．通过“有序”和“无序”的对比，了解熵和熵变的概念。3．初步了解焓变和熵变对化学反应进行方向的影响，能用焓变和熵变解释化学反应进行的方向。1．通过实例计算，培养证据推理与模型认知的思维。2．利用教材中图画和图注培养思维想象能力。\n课前素能奠基课堂素能探究课堂达标验收新课情景呈现名师博客呈现\n新课情景呈现\n小时候在玩玩具时，你是否有将所有玩具到处乱丢，使其乱七八糟的行为呢？就像“水往低处流”一样，化学反应也存在内能降低(焓减小)，混乱度增大(熵增加)的趋势。\n未涂防锈漆的钢制器件会生锈、香水会扩散到空气中等，这些都是不用借助外力就可以自发进行的过程；用水泵把水从低水位升至高水位，高温高压可以使石墨转化为金刚石，这些是必须在外界对体系施加某种作用时才能实现的过程。化学反应为什么有的能够自发进行，不需要借助外力，而有些反应或过程需要在特定条件下才能进行呢？请让我们一起走进教材第三节：化学反应的方向。\n课前素能奠基\n一、自发过程和自发反应1．自发过程：(1)含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自动进行的过程。例如：高山流水、自由落体。新知预习\n(2)特点：①体系趋向于从________状态转变为________状态(体系对外部做功或释放热量)。②在密闭条件下，体系有从________自发转变为________的倾向(无序体系更加稳定)。(3)非自发过程：在一定条件下，需持续借助外力才能进行的过程。高能低能有序无序\n2．自发反应：(1)含义：在给定的条件下，可以自发进行到显著程度的化学反应，称为自发反应。例如：钢铁生锈。(2)非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。3．应用：(1)可被用来做“有用功”，例如H2的燃烧可设计成燃料电池；(2)非自发过程要想发生，必须对它做功，例如通电将水分解为H2和O2。\n二、化学反应方向的判断1．焓判据：(1)________反应过程中体系能量降低，具有自发进行的倾向，因此可用________来判断反应进行的方向。(2)局限性：放热反应有利于反应自发进行，但有些吸热反应也能自发进行，例如：在25℃和101kPa时，2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ·mol－1。所以焓变是反应能否自发进行的一个因素，但不是唯一因素。放热焓变\n2．熵和熵判据：(1)熵：用来量度体系____________的物理量，符号为______，单位为J·mol－1·K－1。体系混乱程度越大，熵值________。同一种物质，不同状态，熵值大小为__________________。(2)熵变(ΔS)：ΔS＝S(生成物)－S(反应物)。(3)熵增原理：在与外界隔绝的体系中，自发过程将导致体系的熵________，即熵变________零。混乱程度S越大S(g)＞S(l)＞S(s)增大大于\n(4)熵判据：①体系有自发地向混乱度增大(即熵增)的方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。②局限性：熵增有利于反应自发进行，但有些熵值减小的反应，在一定条件下也能自发进行。如：NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)ΔS＜0。所以熵变是反应能否自发进行的一个因素，但不是唯一因素。\n3．复合判据：在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应焓变有关，又与反应熵变有关。研究表明，在恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据是体系自由能变化(ΔG、单位：kJ·mol－1)：ΔG＝______________(注意：T的单位是“K”，不是“℃”)。(1)ΔG＜0，反应______自发进行；(2)ΔG＝0，反应达到平衡状态；(3)ΔG＞0，反应________自发进行。ΔH－TΔS能不能\n预习自测1．下列过程为自发过程的是()①铵盐溶解②烧碱与盐酸的反应③锌与稀硫酸的反应④氢气在氧气中燃烧⑤镁在空气中燃烧⑥铝热反应⑦墨水在水中扩散⑧电解熔融氯化钠A．①②③⑦B．⑤⑥⑦⑧C．②④⑥⑧D．①②③④⑤⑥⑦D\n解析：自发过程是不借助任何外界条件即可发生的过程，①铵盐溶解吸收热量，②烧碱与盐酸的反应是中和反应，释放热量，是自发过程，③锌与稀硫酸的反应是自发过程，④氢气在氧气中燃烧是自发过程，⑤镁在空气中燃烧是自发过程，⑥铝热反应是自发过程，⑦墨水在水中扩散是自发过程，⑧电解熔融氯化钠需要通电，不是自发过程。\n解析：CH4·nH2O(s)===CH4(g)＋nH2O(l)ΔH(H＞0)，正反应为吸热反应，降低温度，平衡逆向移动，增大压强，平衡逆向移动，因此深海中能够存在可燃冰是因为深海具备了低温、高压。A\n3．当水发生如下变化时：H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)，对此过程的ΔS(熵变)判断正确的是()A．ΔS＞0B．ΔS＜0C．ΔS＝0D．无法判断解析：同种物质的气态混乱度最大、固态混乱度最小，则H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)过程中ΔS＞0。A\n课堂素能探究\n知识点问题探究：1．怎样用自由能变化ΔG判断化学反应自发进行的方向？2．能够自发进行的反应在常温下就一定能够发生吗？化学反应进行的方向\n探究提示：1．体系自由能变化ΔG＝ΔH－TΔS，其中ΔH为焓变，ΔS为熵变，T为热力学温度。在一定的温度和压强下，将ΔH、ΔS、T的数值代入上述公式，若ΔG＜0，则该条件下的反应为自发反应，若ΔG＞0，则该条件下的反应不能自发进行。2．不一定；自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。\n知识归纳总结：1．用复合判据判断反应进行的方向：(1)焓变和熵变都是与反应能否自发进行有关的因素，但都不能独立作为反应自发性的判据；要判断反应进行的方向，必须综合考虑体系的焓变和熵变对反应进行方向的综合影响。(2)体系的自由能变化(ΔG)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于判断化学反应进行的方向。在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向着ΔG＝ΔH－TΔS＜0的方向进行，直到平衡状态。\n2．ΔH、ΔS与反应的自发性：类型ΔHΔS反应的自发性1＜0＞0ΔG＜0，反应一定能自发进行。2＞0＜0ΔG＞0，反应一定不能自发进行。3＜0＜0反应能否自发进行与温度有关，一般低温时焓变影响为主，故低温自发。4＞0＞0反应能否自发进行与温度有关，一般高温时熵变影响为主，故较高温度自发。3．判断过程自发性的目的是判断反应进行的方向，并不能判断反应的快慢和热效应，也不能确定反应是否一定能发生。\n下列对化学反应预测正确的是()典例选项化学方程式已知条件预测AM(s)===X(g)＋Y(s)ΔH＞0它是非自发反应B4M(s)＋N(g)＋2W(l)===4Q(s)常温下，自发进行ΔH＞0C4X(g)＋5Y(g)===4W(g)＋6G(g)能自发反应ΔH一定小于0DW(s)＋G(g)===2Q(g)ΔH＜0任何温度都自发进行D\n解析：M(s)===X(g)＋Y(s)，反应中气体化学计量数增大，为熵增大的反应，ΔS＞0，ΔH＞0，在高温条件下能自发进行，故A错误；4M(s)＋N(g)＋2W(l)===4Q(s)为气体化学计量数减小的反应，ΔS＜0，当ΔH＞0时，ΔH－TΔS＞0，一定不能自发进行，故B错误；4X(g)＋5Y(g)===4W(g)＋6G(g)反应为气体化学计量数增大的反应，ΔS＞0，所以当ΔH＜0时，一定满足ΔH－TΔS＜0，反应一定能够自发进行，当ΔH＞0时，高温条件下，ΔH－TΔS＜0，成立，可以自发进行，故C错误；W(s)＋G(g)===2Q(g)ΔH＜0，反应为气体化学计量数增大的反应，ΔS＞0，则一定满足ΔH－TΔS＜0，反应任何温度都自发进行，故D正确。\n〔变式训练〕橡皮筋在拉伸和收缩状态时结构如图。在其拉伸过程中有放热现象。25℃、101kPa时，下列过程的焓变、熵变和自发性与橡皮筋从拉伸状态到收缩状态一致的是()A．CaCO3===CaO＋CO2↑B．NaOH的溶解C．2H2＋O2===2H2OD．Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2OD\n解析：分解为吸热反应，且熵变为正，过程为非自发进行，不选A；NaOH的溶解放热，不选B；燃烧为放热，不选C；Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl为吸热反应，且熵变为正，为自发进行的过程，故选D。\n名师博客呈现\n熵的生物学意义熵的概念对于生命的认识有重要的意义。生命体与环境不断交换着物质(物质流)和能量(基本上是热流)，同时还交换着熵(熵流)。机体摄入的食物如蛋白质、淀粉、核苷酸等，都是结构复杂的高分子物质，它们的熵值很小。机体排泄的都是小分子代谢产物，它们的熵值很大。假设排泄的总量等于摄入的总量，摄入物来自环境，排泄物回到环境，机体的生命活动将使环境的熵增大。机体还不断向环境释放出生化反应产生的热，这也使环境的熵增大。与此同时，机体本身的熵也发生了变化。\n机体不断产生新的复杂结构(发育成长)，是熵减小，而细胞死亡和代谢过程将结构复杂的生化物质转化为简单的小分子，则是熵增大。机体总的熵变取决于年龄的增长。当机体处于生长发育阶段时(年轻人)，熵要减小；当机体处于发育成熟阶段时(成年人)，熵变几乎等于零；当机体处于衰老阶段时(老年人)，熵会增大；机体老死时，熵增至极大。这正如量子化学奠基人薛定谔所说：“一个生命有机体不断地……产生正的熵……因此就势必接近具有极大熵值的危险状态，即死亡。……新陈代谢作用最基本的内容是有机体成功地使自身释放出它活着时不得不产生的全部熵。”此话不但精辟地指出熵这一热力学概念对理解生命的意义，而且也启示了熵的概念对所有过程的重要意义。\n课堂达标验收\n1．以下说法中正确的是()A．ΔH＜0的反应均是自发反应B．自发进行的反应一定能随时自动发生C．冰在室温下自动融化成水，这是熵增的过程D．MgCO3(s)===MgO(s)＋CO2(g)高温下，不能自发C\n解析：ΔG＜0反应自发进行，由ΔG＝ΔH－TΔS可知，ΔH＜0时，若ΔS＜0，则ΔG可能大于0，反应非自发，故A错误；ΔG＜0反应自发进行，能否随时自动发生还有反应速率问题，故B错误；反应向熵增方向进行，同种物质熵值：液体＞固体，冰在室温下自动融化成水，是熵增的过程，故C正确；碳酸镁分解属于吸热反应，ΔH＞0，MgCO3(s)===MgO(s)＋CO2(g)，固体分解得到气体，混乱度增加，ΔS＞0，在高温条件下ΔG＝ΔH－T·ΔS＜0反应自发进行，故D错误。\n2．下列反应中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．任何温度下均能自发进行2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g)A\n解析：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)是吸热反应ΔH＞0，气体体积增大ΔS＞0，故A正确；NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)是放热反应ΔH＜0，气体体积减小ΔS＜0，故B错误；4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)是放热反应ΔH＜0，气体体积减小ΔS＜0，故C错误；2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g)，ΔH＜0，气体体积增大的反应其ΔS＞0，故D错误。\nB\n\n4．判断下列各变化过程是熵增加还是熵减小。(1)NH4NO3爆炸：2NH4NO3(s)===2N2(g)＋4H2O(g)＋O2(g)。()(2)水煤气转化：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)。()(3)臭氧的生成：3O2(g)===2O3(g)。()A．熵增大B．熵减小C．不变D．熵变很小ADB\n解析：(1)NH4NO3的爆炸反应是气态物质的物质的量增大的化学反应：(2＋4＋1)－0＞0，因此该过程是熵增加的过程；(2)水煤气转化反应，气态物质的物质的量在反应前后未发生变化：(1＋1)－(1＋1)＝0，该过程的熵变很小；(3)生成臭氧后，气态物质的物质的量减小：2－3＜0，因此该过程是熵减小的过程。
