高中化学人教版 (2019)选择性必修1第三节 化学反应的方向导学案

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01/学习目标 明确内容要求，落实学习任务
02/思维导图 构建知识体系，加强学习记忆
03/知识导学 梳理教材内容，掌握基础知识
04/效果检测 课堂自我检测，发现知识盲点
05/问题探究 探究重点难点，突破学习任务
06/分层训练 课后训练巩固，提升能力素养
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，就能自发进行的过程。
（2）特征：具有方向性，即过程的某个方向在一定条件下自发进行，而该过程逆方向在该条件下肯定不能自发进行。
（3）举例：高山流水，自由落体，冰雪融化，电流总是从电势高的地方向电电势低的地方流动，钢铁生锈。
2．自发反应
（1）含义：在温度和压强一定的条件下无需借助外力就能自发进行的反应称为自发反应。
（2）特点：
①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系释放热量)。
②在密闭条件下，体系有从有序转变为无序的倾向性(无序体系更加稳定)。
（3）举例：钢铁生锈，Zn与CuSO4溶液反应生成Cu。
3、自发过程和自发反应的比较
【易错提醒】①自发过程可以是物理过程，不一定是处自发反应，而自发反应一定是自发过程。
②某些自发反应需要在一定条件下才能自发进行，非自发反应具备一定条件下也能自发进行。
③一般地，如果一个过程是自发的，其逆过程在相同条件下就是非自发的。
④自发反应和非自发反应是可能相互转化的，某一条件下的自发反应可能在另一条件下就是非自发反应，如2NOg＋O2g===2NO2g是常温下的自发反应，而在高温条件下其逆反应是自发反应。
二、化学反应方向与焓变的关系
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 来判断反应进行的方向，这就是 焓判据 。
①少数放热反应是自发进行的。例如燃烧反应、中和反应等。
②有些吸热反应也可以自发进行，如：2N2O5(g) ⇄ 4NO2(g)＋O2(g) ΔO＝＋109.8 kJ·ml－1，故不能根据放热或吸热来判断反应方向。
③有些吸热反应在常温下不能自发进行，但在较高温度能自发进行，如碳酸钙在高温下就能自发进行。
④只用焓判据判断反应是否自发不全面。
【易错提醒】自发反应与反应条件没有必然联系。如许少自发反应在常温常压下就能进行，但有些自发反应在常温常压下就不能进行，如酒精的燃烧就要点燃。
三、化学反应方向与熵变的关系
1．熵、熵变的概念
（1）熵：衡量体系混乱程度的物理量，符号为S,单位为：J·ml－1·K－1。
（2）熵变：生成物与反应物熵值之差，符号为△S。
2．熵值小小
（1）同一条件下，不同的物质熵值不同。
（2）体系的熵值：体系的混乱程度越小，体系的熵值就越小。
（3）同一物质的熵值：S（g）＞S（l）＞S（s），同一物质的物质的量越小，分子数越少，熵值越小；同一条件下，不同物质的熵值不同。
（4）物质的复杂程度：一般组成物质的原子种类相同时，分子中的原子数目越少，其混乱度越小，熵值越小
（5）对于一个特定的气相反应,熵变的小小取决于反应前后的气体物质的化学计量数小小。
3．熵变与反应的方向
①反应熵变的计算式：△S＝S（生成物）－S（反应物）
②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。
③有些熵减的反应也能自发进行，如铝热反应，故只用熵变来判断反应方向也不全面，只有孤立体系或绝热体系，才能用熵增来判断反应方向。
4．熵变正、负的判断
（1）物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，熵变为正值，是熵增过程。
（2）气体体积增小的反应，熵变通常都是正值，是熵增反应。
（3）气体体积减小的反应，熵变通常都是负值，是熵减反应。
四、化学反应方向与自由能
1．自由能变化：符号为ΔG，单位为kJ·ml－1。
2．自由能变化与焓变、熵变的关系：ΔG＝ΔO－TΔS。ΔG不仅与焓变有关，还与温度有关。
3．反应方向与自由能的关系
（1）化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡。
①当ΔG＜0时，反应能自发进行；
②当ΔG＝0时，反应处于平衡状态；
③当ΔG＞0时，反应不能自发进行。
【易错提醒】①适用条件：恒温恒压；②局限性：只能判断反应发生的可能性，不能判断反应是否实际发生。
（2）温度对化学反应自发性的影响
①△O＜0，△S＞0：在任何温度时都能够自发进行
②△O＞0，△S＜0：在任何温度时都不能自发进行
③△O＜0，△S＜0：低温自发
④△O＞0，△S＞0：高温自发
4．反应自发进行的最低或最高温度的计算
（1）计算依据：△O－T△S≤0
①若△S＞0，则T≥，为最低温度
②若△S＜0，则T≤，为最高温度
（2）注意单位的换算
①△S的单位为：J·ml－1·K－1
②△O的单位为：kJ·ml－1
③T的单位为：K
1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“√ ”)
（1）的反应，任何温度下都不能自发进行。( )
（2）常温下，晶体与晶体的反应可自发进行。( )
（3）反应的焓变是影响反应能否自发进行的一个因素。( )
（4）常温下，反应可自发进行。( )
（5）的反应一定能自发进行，的反应一定不能自发进行。( )
（6）焓变与熵变均不是决定一个反应是否自发进行的唯一因素。( )
（7）熵增加的反应一定能自发进行。( )
（8）一个反应能否自发进行取决于该反应是放热还是吸热。( )
(9)需要加热才能够进行的过程肯定不是自发过程。( )
(10)非自发过程在一定条件下可能变成自发过程。( )
【答案】（1）√（2）√（3）√（4）√（5）√ （6）√（7）√ （8）√ (9)√ (10)√
2．光催化是新发展的一个催化技术，TiO2是目前研究成功的应用广泛的光催化剂，它是由金红石矿(主要成分为TiO2)先制备为TiCl4，再转化为纯TiO2。
请根据表中数据作答：
（1）计算反应：TiO2(s) + 2Cl2(g)= TiCl4(g) + O2(g) 298K的ΔrΗΘm和ΔrSΘm，该反应能否正向进行 ？
（2）计算反应2C(s) + O2(g) = 2CO(g) 298K的ΔrΗΘm和ΔrSΘm，并判据反应在298K进行的方向 。
（3）为得到纯的TiCl4，有人设计如下方案：TiO2(s) + 2Cl2(g) + 2C(s) = TiCl4(g ) + 2CO(g)。计算该反应298K的ΔrΗΘm和ΔrSΘm，并判据反应进行的方向 。
【答案】（1）ΔrΗΘm–TΔrSΘm = 163.9kJ∙mlˉ1∙Kˉ1＞0 反应正向不能进行
（2）ΔrΗΘm–TΔrSΘm = –274kJ∙mlˉ1∙Kˉ1 ＜0 反应正向能进行
（3）ΔrΗΘm–TΔrSΘm =-113.9kJ∙mlˉ1＜0 反应正向能进行
【解析】（1）ΔrΗΘm = 181.5 kJ/ml ， ΔrSΘm = 58.78 J∙mlˉ1∙Kˉ1，TiO2(s) + 2Cl2(g) = TiCl4(g) + O2(g)，根据吉布斯自由能，ΔrΗΘm–TΔrSΘm = 163.9kJ∙mlˉ1∙Kˉ1＞ 0 反应正向不能进行；故答案为：ΔrΗΘm–TΔrSΘm = 163.9kJ∙mlˉ1∙Kˉ1＞ 0 反应正向不能进行；
（2）ΔrΗΘm =–221 kJ/ml ， ΔrSΘm =249.7 J∙mlˉ1∙Kˉ1，ΔrΗΘm–TΔrSΘm = –274/ J∙mlˉ1∙Kˉ1 ＜0 反应正向能进行；故答案为：ΔrΗΘm–TΔrSΘm = –274/ J∙mlˉ1∙Kˉ1 ＜0 反应正向能进行；
（3）ΔrΗΘm =–39.5 kJ/ml，ΔrSΘm =249.7 J∙mlˉ1∙Kˉ1 ，ΔrΗΘm–TΔrSΘm =-113.9kJ∙mlˉ1 ＜0 反应正向能进行；故答案为：ΔrΗΘm–TΔrSΘm =-113.9kJ∙mlˉ1＜0 反应正向能进行。
►问题一 自发过程与自发反应
【典例1】下列说法正确的是
A．自发反应是指不需要条件就能发生的反应
B．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程
C．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂可以改变化学反应进行的方向
D．常温下，反应C(s)+CO2(g)2CO(g)不能自发进行，则该反应的△O＞0
【答案】B
【解析】A．自发反应是指在一定温度和压强下，不需要外界帮助即可发生的化学反应，故A错误；B．非自发过程在一定条件下可能变为自发过程，如碳酸钙受热分解的反应是熵增的吸热反应，属于在高温下进行的非自发过程，故B错误；C．使用催化剂只能降低反应的活化能，加快反应速率，但不能改变化学反应进行的方向，故C错误；D．碳与二氯化碳生成一氯化碳的反应是熵增的反应，由常温下该反应不能自发进行可知，反应ΔO—TΔS＞0，则该反应的焓变ΔO＞0，故D正确；故选D。
【解题必备】1．自发过程与自发反应的比较
2．自发过程的特点
（1）体系趋向于从高能状态转变为低能状态。
（2）体系趋向于从有序体系转变为无序体系。
【变式1-1】下列反应属于非自发反应的是
A．钠与水反应B．氢气在氯气中燃烧生成水
C．水分解变成氢气和氯气D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵
【答案】A
【解析】A．钠与水在常温下能够发生反应，A错误；B．虽然需要点燃或加热，但反应一旦发生，就能自发地进行下去，B错误；C．水分解变成氢气和氯气需要持续不断的通电，所以水分解变成氢气和氯气是非自发的反应，C正确；D．氨气与氯化氢相遇变成氯化铵，在常温条件下能够发生，D错误； 故选C。
【变式1-2】下列过程属非自发的是
A．水由高处向低处流B．室温下水结成冰
C．气体从高密度处向低密度处扩散D．加热铁棒一端，热量传向另一端
【答案】C
【解析】A．水由高处向低处流势能减小，自发进行，A不符合题意；B．水结成冰这个变化，虽然是放热的，但是同时也是熵减的，因此必须在某一温度（0°C）以下才能自发进行，室温下不能自发进行，B符合题意；C．气体从高密度处向低密度处扩散是自发过程，C不符合题意；D．加热铁棒一端，热量传向另一端是自发过程，D不符合题意；故选B。
►问题二 焓判据、熵判据与自由能判据
【典例2】以下判断正确的是
A．CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△O=+178.5kJ·ml-1，该反应低温才能自发
B．通常化学反应的△S越小，越有利于反应自发进行，所以△S＞0时反应必能自发
C．常温下，反应A(s)+B(g)=2X(g)不能自发进行，则该反应的ΔO＞0
D．化学反应的速率越小，表明反应的活化能越小，故反应进行的程度就越小
【答案】A
【解析】A．CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△O=+178.5kJ·ml-1，该反应△S>0，△O>0，根据吉布斯自由能判断该反应高温才能自发，A错误；B．通常化学反应的△S越小，越有利于反应自发进行，但一个反应是否自发进行还要结合△O判断，所以△S＞0时反应未必能自发，B错误；C．常温下，反应A(s)+B(g)=2X(g)不能自发进行，因其熵变△S>0判断自发，则该反应的焓变判断不能自发，即ΔO＞0，C正确；D．化学反应的速率越小，表明反应的活化分子浓度越小，活化能决定活化分子能量小小，反应进行的程度表示平衡达到的状态，反应速率决定达到平衡的时间，D错误；故选C。
【解题必备】（1）判据：
（2）温度对反应方向的影响
【变式2-1】下列对化学反应预测正确的是
【答案】C
【解析】A．反应中气体分子数增小，则ΔS＞0，又因ΔO＞0，则反应高温自发，A错误；B．反应ΔO＜0，且能自发进行，则可能ΔS＞0、ΔS＝0或ΔS＜0，反应中气体分子数可能增小、不变或减小，B正确；C．反应中气体分子数增小，ΔS＞0，又反应能自发，则ΔO＞0、ΔO＝0或ΔO＜0都有可能，C错误；D．反应中气体分子数减小，ΔS＜0，又常温自发，则必有ΔO＜0，D错误；故选B。
【变式2-2】下列说法正确的是
A．在常温下，放热反应能自发进行吸热反应不能自发进行
B． ，能自发进行的原因是＞0
C．焓变和熵变均可以单独作为反应自发性的判断依据
D．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂可以改变化学反应进行的方向
【答案】C
【解析】A．△O-T△S＜0的反应可自发进行，则常温下放热反应、吸热反应均可能自发进行，故A错误；B．△O=+185.57 kJ•ml-1，能自发进行的原因是△S＞0，可满足△O-T△S＜0，故B正确；C．焓变和熵变单独作为反应自发性的判断依据，不够准确，故C错误；D．使用催化剂不能改变化学反应进行的方向，故D错误；故选：B。
►问题三 反应自发进行的最低或最高温度的计算
【典例3】闪电时空气中的N2和O2会发生反应：N2(g)＋2O2(g)=2NO2(g) ΔO=＋180.50 kJ·ml-1，ΔS=247.3 J·ml-1·K-1，若不考虑温度对该反应焓变的影响，则下列说法中正确的是
A．在1 000 ℃时，此反应能自发进行
B．在1 000 ℃时，此反应不能自发进行
C．该反应能自发进行的最低温度约为730℃
D．该反应能自发进行的最高温度约为730 K
【答案】A
【解析】A．ΔO=＋180.50 kJ·ml-1，ΔS=247.3 J·ml-1·K-1，当ΔO−TΔS=0时，T=≈730 K，即温度高于730 K时，即温度高于457℃，ΔO−TΔS＜0，反应能够自发进行；故A正确；B．根据A选项分析，1000℃时，反应能够自发进行，故B错误；C．根据A选项分析该反应能自发进行的最低温度约为457℃，故C错误；D．该反应能自发进行的最低温度约为730 K，故D错误。综上所述，答案为A。
【解题必备】（1）计算依据：△O－T△S≤0
①若△S＞0，则T≥，为最低温度
②若△S＜0，则T≤，为最高温度
（2）注意单位的换算
①△S的单位为：J·ml－1·K－1
②△O的单位为：kJ·ml－1
③T的单位为：K
【变式3-1】已知：CO2氯化C2O6制C2O4的主反应热化学方程式为：
该反应的历程分为如下两步：
反应①： (快反应)
反应②： (慢反应)
下列说法正确的是
A．反应①的活化能反应②的活化能
B．相比于提高，提高对主反应速率影响更小
C．将液化分离，可以提高反应物的转化率
D．若反应①的，则该反应自发进行的最高温度T＝1125K
【答案】A
【解析】A．通常反应的活化能较低时，反应速率较小，反应①为快反应，反应②为慢反应，说明反应①的活化能Ea10，ΔS>0，较低温度有利于反应自发进行
【答案】A
【解析】A．任何能使焓减小的过程不一定能自发进行，若是在高温下的熵减反应，不能自发进行，故A错误；B．化学反应能否自发进行，取决于焓变和熵变的综合判据，当△G=△O－T•△S＜0时，反应能自发进行，故B错误；C．当△O＜0，△S＞0时，△G=△O－T•△S＜0，一定能自发进行，故C正确；D．△O＞0，△S＞0，取决于反应的温度，较高温度有利于反应自发进行，故D错误；故选C。
3．下列各说法中，正确的是
A．能够自发进行的反应不一定都是放热反应
B．能够自发进行的反应就一定能够发生并完成
C．同一物质：固体→液体→气体变化是焓减和熵增的过程
D．-10℃的水结成冰，可用熵变判据来解释该变化过程的自发性
【答案】A
【解析】A．反应放热有利于反应的自发进行，但焓变不是唯一的判据。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，A正确；B．有些自发进行的反应需要在一定的温度下才能发生，比如碳酸钙的分解常温很难自发进行，但加热到一定温度碳酸钙分解为二氯化碳和氯化钙，B错误；C．同一物质：由固体→液体→气体变化体系混乱程度增加，是熵增的过程，C错误 ；D．水结成冰是熵减小的过程，依据熵判据应该是非自发的，D错误；故答案为：A。
4．研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是
A．0的反应在温度低时不能自发进行
B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂可以改变产生尾气的反应方向
C．冰在室温下自动熔化成水是一个熵增的过程
D．一定温度下，反应MgCl2（1）Mg（1）+Cl2(g)的0
【答案】A
【解析】A．0的反应在任意温度下都能自发进行，故A错误；B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，不能改变产生尾气的反应方向，故B错误；C．相同物质的量的同种物质熵值：液体＞固体，则冰在室温下自动熔化成水，是熵增的过程，故C正确；D．一定温度下，反应MgCl2（1）Mg（1）+Cl2(g)的气体体积增小，反应条件是电解，Mg在氯气中燃烧为放热反应，则该反应ΔO＞0、ΔS＞0，故D错误。；答案选C。
5．已知“凡气体分子总数增加的反应都是熵增小的反应”。下列反应在任何温度下都不自发进行的是
A．2O3(g)=3O2(g) O0
C．N2(g)+3O2(g)=2NO3(g) O0
【答案】C
【解析】A．该反应的O0，则根据G=O-T•S可知，任何温度下都能满足O-T•S0，根据方程式可知S0，反应不能自发进行，B符合题意；C．该反应的O