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    苏教版高中化学选择性必修1专题2第2单元基础课时11化学反应的方向学案
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    苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学反应的方向与限度学案设计

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    这是一份苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学反应的方向与限度学案设计,共9页。学案主要包含了自发过程和自发反应,化学反应进行方向的判据等内容,欢迎下载使用。


    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发进行的过程。
    (2)特点
    ①能量角度:体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或者释放热量)。
    ②混乱度角度:在密闭条件下,体系有从有序自发转变为无序的倾向。
    2.自发反应
    (1)定义:在一定温度和压强下,无需外界帮助就能自动进行的化学反应。
    (2)自发反应的特征
    ①具有方向性,即反应的某个方向在一定条件下是自发的,则其逆反应在该条件下肯定不自发。
    ②体系趋向于从高能量状态转变为低能量状态。
    ③体系趋向于从有序体系转变为无序体系。
    (正确的打“√”,错误的打“×”)
    (1)自发过程不需任何条件就能发生(×)
    (2)室温下冰变成水属于自发过程(√)
    (3)水由高处向低处流属于自发过程(√)
    (4)能自发进行的反应速率一定很大(×)
    二、化学反应进行方向的判据
    1.反应焓变与反应方向
    (1)放热反应过程中体系能量降低,因此具有自发进行的倾向,科学家提出用焓变(能量变化)来判断反应进行的方向,这就是焓判据(能量判据)。
    (2)焓变与化学反应进行方向的关系
    ①多数放热反应是自发进行的。
    如:燃烧反应、中和反应等。
    ②有不少吸热的反应也能自发进行。
    如:NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)===CO2(g)+CH3COONH4(aq)+H2O(l) ΔH>0
    ③还有一些吸热反应在室温条件下不能自发进行,但在较高温度下则能自发进行。
    如:CaCO3(g)eq \(=====,\s\up8(高温))CaO(s)+CO2(g) ΔH>0
    2.反应熵变与反应方向
    (1)熵:用来量度体系混乱程度的物理量。熵值越大,混乱程度越大,符号为S。
    (2)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增大,即熵变(符号ΔS>0)。
    (3)熵判据:体系有自发地向混乱度增加(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。
    (4)熵变与化学反应进行方向的关系
    ①许多熵增的反应是自发的。
    如:2KClO3eq \(=====,\s\up8(MnO2),\s\d7(△))2KCl+3O2↑;
    CaCO3+2HCl===CaCl2+H2O+CO2↑等。
    ②有些熵减的反应也可以自发进行。
    如:Ca(OH)2(aq)+CO2(g)===CaCO3(s)+H2O(l)。
    3.焓变与熵变对反应方向的共同影响
    (1)复合判据为体系的自由能变化(符号为ΔG,单位为kJ·ml-1),综合考虑了焓变和熵变对体系的影响,可用于化学反应自发进行方向的判断,ΔG=ΔH-TΔS。
    (2)在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向
    ΔG=ΔH-TΔS<0的方向进行,直到达平衡状态。
    ①当ΔH<0,ΔS>0时,ΔG<0,反应能自发进行。
    ②当ΔH>0,ΔS<0时,ΔG>0,反应不能自发进行。
    ③当ΔH>0,ΔS>0或ΔH<0,ΔS<0时,反应是否自发进行与温度有关,在一定温度下可使ΔG=0,即反应达到平衡状态。
    (正确的打“√”,错误的打“×”)
    (1)放热反应一定能自发进行(×)
    (2)同种物质不同状态时熵值不同,气态时最大(√)
    (3)熵增的反应一定能自发进行(×)
    (4)自发反应在任何条件下均可发生(×)
    (5)过程自发性不仅能用于判断过程的方向,还能确定过程发生的速率(×)
    实验发现,大多数放热反应是可以自发进行的。例如,下列反应:
    H2(g)+eq \f(1,2)O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.8 kJ/ml
    Zn(s)+CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)+Cu(s)
    ΔH=-216.8 kJ/ml
    因此,有人认为,只有放热的反应才能自发进行,这样就可以根据化学反应是吸热的还是放热的来判断化学反应的方向。而事实表明,有些吸热反应也可以自发进行。例如,通过实验知道,Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热的,但是这个反应却是可以自发进行的。又如:
    2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) ΔH=+56.7 kJ/ml
    (NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)+NH3(g)
    ΔH=+74.9 kJ/ml
    这些吸热反应都是可以自发进行的。所以,不能只根据放热或者吸热来判断化学反应的方向。
    实验发现,体系有自发地向混乱度增加(即熵增,ΔS>0)的方向转变的倾向。例如:
    Zn(s)+H2SO4(aq)===ZnSO4(aq)+H2(g)
    2KClO3(s)===2KCl(s)+3O2(g)
    这些自发进行的化学反应都是熵增的过程,即ΔS>0。但是,有些熵减的过程也能自发进行。例如,乙烯聚合为聚乙烯的反应,是熵减的过程,即ΔS<0,却能够自发进行。再如:
    2NO(g)+2CO(g)===N2(g)+2CO2(g)
    4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)
    这些化学反应的ΔS<0,但是都可以自发进行。所以,不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向。
    自发反应的方向与焓变和熵变有关,但焓变和熵变又都不能完全单独作为自发进行方向的判断依据。要判断反应自发进行的方向,必须综合考虑体系的焓变和熵变。
    [问题1] 加热条件下,NH4Cl可以分解,常温下NH3和HCl 可以化合生成NH4Cl。根据事实分析,在常温下和高温下反应能否自发进行?
    [提示] 常温下NH3和HCl的化合反应为自发反应,高温下NH4Cl的分解反应为自发反应。
    [问题2] 试比较H2O(s)、H2O(l)、H2O(g)的熵的大小?
    [提示] 同种物质不同状态时,体系的混乱度越大,其熵也越大,因此水的三种状态的熵的大小为H2O(g)>H2O(l)>H2O(s)
    [问题3] 碳酸钙高温分解反应的熵如何变化?
    [提示] 反应由固体变为固体和气体,混乱度增加,即熵增加。
    [问题4] 对于反应2NO2(g)N2O4(g) ΔH<0,从能量角度看该反应是自发的,从熵变角度看该反应能否自发进行?
    [提示] 不能自发进行。放热反应使物质的总能量降低,使反应有自发进行的趋势。而从熵变角度看,该反应的正反应物质的混乱度降低,是熵减小的反应。
    [问题5] ΔS>0的过程一定能自发进行,ΔS<0的过程一定不能自发进行吗?
    [提示] 不一定。一个过程的ΔS>0,只能说明该过程有自发进行的倾向,而这个过程是否一定会发生则不能确定;有些ΔS<0的过程也能自发进行,如-10 ℃的液态水会自动结冰成为固态。
    [问题6] 一定条件下,温度也是决定反应是否自发进行的一个条件吗?
    [提示] ΔH-TΔS为判断反应自发性的复合判据,当ΔH和ΔS符号一致时,T决定ΔH-TΔS的正负。
    1.化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系易错提醒
    (1)自发反应的熵不一定增大,可能减小,也可能不变。
    (2)过程的自发性只能用于判断过程进行的方向,是否能实现还要看具体的条件。
    (3)要利用焓判据和熵判据综合判断反应进行的方向,不能简单地单独使用。
    2.自由能判断反应进行方向的规律
    1.已知吸热反应:2CO(g)===2C(s)+O2(g),设ΔH和ΔS不随温度而变,下列说法中正确的是( )
    A.低温下能自发进行
    B.高温下能自发进行
    C.任何温度下都能自发进行
    D.任何温度下都不能自发进行
    D [已知反应:2CO(g)===2C(s)+O2(g)的ΔH>0,ΔS<0,所以ΔH-TΔS>0,在任何温度下反应都是不能自发进行的,A、B、C错误,D正确。]
    2.下列关于焓判据和熵判据的说法中,不正确的是( )
    A.放热的自发过程可能是熵减小的过程,吸热的自发过程一定为熵增加的过程
    B.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH=-444.3 kJ·ml-1 ΔS=-280.1 J·ml-1·K-1在常温常压下能自发进行
    C.在室温下碳酸钙的分解反应不能自发进行,但同样是这个吸热反应在较高温度(1 200 K)下则能自发进行
    D.放热过程(ΔH<0)或熵增加(ΔS>0)的过程一定是自发的
    D [放热的自发过程可能熵减小,吸热的自发过程是熵增加的过程,A项正确;根据ΔG=ΔH-TΔS=-444.3 kJ·ml-1-298 K×(-280.1×10-3 kJ·ml-1·K-1)≈-360.83 kJ·ml-1<0,此时焓变对反应的方向起决定性作用,常温常压下能自发进行,B项正确;碳酸钙分解反应的ΔH>0且ΔS>0,同样根据ΔG=ΔH-TΔS<0可知在高温下可自发进行,C项正确;焓减小或熵增的过程不一定都是自发进行的,有的反应需在外力作用下才能进行,D项错误。]
    1.下列关于判断反应的方向的说法正确的是( )
    A.所有自发进行的化学反应都是放热反应
    B.自发反应在任何条件下都能发生
    C.由焓判据和熵判据组合而成的复合判据,将更适合于所有的反应
    D.同一物质的固、液、气三种状态的熵值相同
    C [焓判据与熵判据都不能单独作为反应自发性的判据,二者组合而成的复合判据,更适合于所有的反应,A项错误,C项正确;在一定条件下能自发进行的反应,改变条件可能不能自发进行,B项错误;同一物质S(s)<S(l)<S(g),D项错误。]
    2.下列说法中正确的是( )
    A.冰在室温下自动融化成水,这是熵增的过程
    B.能够自发进行的反应一定都是放热反应
    C.ΔH<0的反应均是自发进行的反应
    D.能够自发进行的反应一定都是熵增的过程
    A [A.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,是熵增的重要结果,故A正确;B.能够自发进行的反应不一定都是放热反应,有些吸热反应也能自发进行,故B错误;C.ΔH<0的反应不一能定自发进行,故C错误;D.有些熵减的反应也能自发进行,故D错误。]
    3.下列说法正确的是( )
    A.凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发的
    B.自发反应的现象一定非常明显,非自发反应的熵一定减小
    C.常温下,反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行,则该反应的ΔH>0
    D.反应2Mg(s)+CO2(g)===C(s)+2MgO(s)能自发进行,则该反应的ΔH>0
    C [不能仅仅根据焓变判断反应的自发性,放热反应不一定都是自发进行的,吸热反应也可能是自发进行的,A项错误;自发进行的反应,其现象不一定非常明显,非自发反应的熵不一定减小,B项错误;根据反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行可知,该反应的ΔH-TΔS>0,又知该反应ΔS>0,则该反应的ΔH>0,C项正确;反应2Mg(s)+CO2(g)===C(s)+2MgO(s)能自发进行,则ΔH-TΔS<0,因ΔS<0,则ΔH<0,D项错误。]
    4.25 ℃、1.01×105 Pa时,反应:2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g) ΔH=56.7 kJ·ml-1能自发进行,其原因是( )
    A.该反应是吸热反应
    B.该反应是放热反应
    C.该反应是熵减小的反应
    D.熵增效应大于能量效应
    D [根据熵判据,该反应是熵增反应,能自发进行;根据焓判据,该反应是吸热反应,不能自发进行。事实上该反应能自发进行,说明熵增效应大于能量效应。]
    5.现有反应:2SO3(g)2SO2(g)+O2(g) ΔH>0,下列有关说法正确的是( )
    A.ΔH>0的化学反应一定不能自发进行
    B.该反应熵增大(即ΔS>0)
    C.该反应在任何条件下一定能自发进行
    D.自发过程一定使体系的熵增大
    B [ΔH>0的化学反应也有能自发进行的,A项错误;B项正确;该反应只有在高温条件下才能自发进行,C项错误;自发过程也有使体系的熵减小的,D项错误。]
    学 习 任 务
    1.通过了解判断化学反应进行方向的三个判据,构建判断化学反应自发性的思维方法模型,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
    2.通过三个判据的发展过程,理解科学知识的曲折发展历程,增强对化学反应自发性研究重要意义的认识,培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
    化学反应进行的方向
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