2019年高考化學一輪復習 專題7.2 化學反應的方向和限度（講）.doc

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專題7.2 化學反應的方向和限度 1、 了解可逆反應的定義。 2、 理解化學平衡的定義及化學平衡的特征，掌握判斷達到化學平衡狀態(tài)的標志。 3、 掌握化學反應在一定條件下能否自發(fā)進行的判斷依據(jù)，能夠利用化學反應的焓變和熵變判斷化學反應的方向。 一、化學反應進行的方向 1、自發(fā)過程與自發(fā)反應 （1）含義 在一定條件下，不需要借助外力作用就能自動進行的過程。 （2）特點 ①體系趨向于從高能狀態(tài)轉變?yōu)榈湍軤顟B(tài)(體系對外部做功或釋放熱量)。 ②在密閉條件下，體系有從有序轉變?yōu)闊o序的傾向性(無序體系更加穩(wěn)定)。 （3）自發(fā)反應 在一定條件下無需外界幫助就能自發(fā)進行的反應稱為自發(fā)反應。 【注意】能自發(fā)進行的反應不一定能實際發(fā)生，化學反應方向的判據(jù)指出的僅僅是在一定條件下化學反應自發(fā)進行的趨勢，并不能說明在該條件下反應一定能實際發(fā)生，還要考慮化學反應的快慢等問題 2、焓判據(jù) （1）多數(shù)能自發(fā)進行的化學反應是放熱反應。如氫氧化亞鐵的水溶液在空氣中被氧化為氫氧化鐵的反應是自發(fā)的，其△H（298K）=－444.3kJmol—1 （2）部分吸熱反應也能自發(fā)進行。 如NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)，其△H（298K）= +37.30kJmol—1。 （3）有一些吸熱反應在常溫下不能自發(fā)進行，在較高溫度下則能自發(fā)進行。如碳酸鈣的分解。 研究表明，對于化學反應而言，絕大多數(shù)放熱反應都能自發(fā)進行，且反應放出的熱量越多，體系能量降低得也越多，反應越進行得越完全?？梢姡磻撵首兪侵萍s化學反應能否自發(fā)進行的因素之一。但是，反應焓變不是決定反應能否自發(fā)進行的唯一依據(jù)。 3、熵判據(jù) （1）熵：描述大量粒子混亂度的物理量，符號為S，單位Jmol—1K—1，熵值越大，體系的混亂度越大。S(g)>S(l)>S(s)。 （2）化學反應的熵變（△S）：反應產物的總熵與反應物總熵之差。 （3）反應熵變與反應方向的關系 ①多數(shù)熵增加的反應在常溫常壓下均可自發(fā)進行。產生氣體的反應、氣體物質的量增加的反應，熵變都是正值，為熵增加反應。 ②有些熵增加的反應在常溫下不能自發(fā)進行，但在較高溫度下則可自發(fā)進行。如碳酸鈣的分解。 ③個別熵減少的反應，在一定條件下也可自發(fā)進行。如鋁熱反應的△S== —133.8 Jmol—1K—1，在點燃的條件下即可自發(fā)進行。 化學反應的ΔS越大，越有利于反應自發(fā)進行。但不是唯一判據(jù)。 4、綜合判據(jù)——吉布斯自由能判據(jù) 在溫度、壓強一定的條件下，化學反應進行的方向是反應的焓變和熵變共同影響的結果，因此，把焓變和熵變判據(jù)結合起來組成的復合判據(jù)即自由能變化ΔG，更適合于所有過程的判斷。ΔG＝ΔH－TΔS(T為開爾文溫度)，ΔG的正、負決定著反應的自發(fā)與否。 （1）在溫度、壓強一定的條件下，化學反應的方向的判據(jù)為： △G=△H—T△S＜0 反應能自發(fā)進行 △G=△H—T△S=0反應達到平衡狀態(tài) △G=△H—T△S＞0反應不能自發(fā)進行 ①ΔH ＜ 0，ΔS ＞ 0的反應任何溫度下都能自發(fā)進行； ②ΔH ＞ 0，ΔS ＜ 0的反應任何溫度下都不能自發(fā)進行； ③ΔH和ΔS的作用相反，且相差不大時，溫度對反應的方向起決定性作用。當ΔH＜0，ΔS＜0時低溫下反應能自發(fā)進行；當ΔH＞0，ΔS＞0時，高溫下反應能自發(fā)進行。 （2）“四象限法”判斷化學反應的方向。 在二維平面內建立坐標系，第Ⅰ象限的符號為“＋、＋”，第Ⅱ象限的符號為“＋、—”，第Ⅲ象限的符號為“—、—”，第Ⅳ象限的符號為“—、＋”。借肋于數(shù)學坐標系四個象限的符號，聯(lián)系焓變與熵變對反應方向的共同影響，可以從熱力學的角度快速判斷化學反應的方向。反應放熱和熵增加都有利于反應自發(fā)進行。該判據(jù)指出的是化學反應自發(fā)進行的趨勢。 5、應用 （1）第Ⅰ象限符號為“＋、＋”（△S＞0、△H＞0）時化學反應的方向——高溫下反應自發(fā)進行 【典型例題1】【江蘇南菁高級中學2018屆期中】已知反應FeO(s)＋C(s)＝CO(g)＋ Fe(s) 的△H>0，△S >0（假定△H、△S不隨溫度而變化），下列敘述中正確的是 （ ） A． 低溫下為自發(fā)過程，高溫下為非自發(fā)過程 B． 高溫下為自發(fā)過程，低溫下為非自發(fā)過程 C． 任何溫度下均為非自發(fā)過程 D． 任何溫度下均為自發(fā)過程 【答案】B （2）第Ⅱ象限符號為“＋、—”（△S＞0、△H＜0）時化學反應的方向——所有溫度下反應均能自發(fā)進行 【典型例題2】【陜西西安一中2018屆高三上學期第一次考試】分析下列反應在任何溫度下均能自發(fā)進行的是 （ ） A．2N2(g)＋O2(g)=2N2O(g) ΔH＝＋163 kJmol－1 B．Ag(s)＋1/2Cl2(g)=AgCl(s) ΔH＝－127 kJmol－1 C．HgO(s)=Hg(l)＋1/2O2(g) ΔH＝＋91 kJmol－1 D．H2O2(l)= 1/2O2(g)＋H2O(l) ΔH＝－98 kJmol－1 【答案】D （3）第Ⅲ象限符號為“—、—”（△S＜0、△H＜0）時化學反應的方向——低溫下反應可以自發(fā)進行 【典型例題3】【2018年9月26日《每日一題》-化學反應方向的判斷】某化學反應其ΔH＝－122 kJmol－1，ΔS＝－431 Jmol－1K－1，則以下關于此反應的自發(fā)性描述中正確的是 （ ） A． 在任何溫度下都能自發(fā)進行 B． 僅在低溫下自發(fā)進行 C． 僅在高溫下自發(fā)進行 D． 在任何溫度下都不能自發(fā)進行 【答案】B 【解析】根據(jù)反應的焓變和熵變結合溫度分析計算，反應自發(fā)進行的判斷依據(jù)是△H-T△S<0，根據(jù)題干，ΔH＝－122 kJmol－1，ΔS＝－431 Jmol－1K－1，故僅在低溫下滿足△H-T△S<0，故選B項。綜上所述，本題正確答案為B。 （4）第Ⅳ象限符號為“—、＋”（△S＜0、△H＞0）時化學反應的方向——所有溫度下反應均不能自發(fā)進行 【典型例題4】【遼寧阜新市海州高級中學2019屆高三第一次月考】已知氣體分子總數(shù)增多的反應一定是熵增大的反應。一定條件下，下列反應不能自發(fā)進行的是 （ ） 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．△H＜0，△S＞0，根據(jù)△G=△H-T△S可知，任何溫度下都能滿足△H-T△S＜0，反應可自發(fā)進行，故A能自發(fā)；B．△H＞0，△S＜0，任何溫度下都滿足△G=△H-T△S＞0，反應不能自發(fā)進行，故B不能自發(fā)進行；C．△H＜0，△S＜0，在較低溫度下，可滿足△H-T△S＜0，反應可自發(fā)進行，故C在較低溫度下能自發(fā)；D．△H＞0，△S＞0，在較高溫度下，可滿足△H-T△S＜0，反應可自發(fā)進行，故D在較高溫度下能自發(fā)。答案選B。 事實上，△S＜0、△H＞0時，僅從符號上進行分析，無論溫度如何變化，恒有△H—Ｔ△S＞０，故化學反應的方向——所有溫度下反應均不能自發(fā)進行。 【點評】從以上四個象限的情況來看，交叉象限的情況相反相成，第Ⅰ象限（高溫下反應自發(fā)進行）和第Ⅲ象限（低溫下反應自發(fā)進行）相反相成，第Ⅱ象限（所有溫度下均可自發(fā)進行）和第Ⅳ象限（所有溫度下反應均不能自發(fā)進行）相反相成。分析化學反應的方向的熱力學判據(jù)是△H—T△S＜0，而這個判據(jù)是溫度、壓強一定的條件下反應自發(fā)進行的趨勢，并不能說明反應能否實際發(fā)生，因為反應能否實際發(fā)生還涉及動力學問題。 二、化學平衡狀態(tài)的建立 1、可逆反應： （1）定義 在同一條件下，既可以向正反應方向進行，同時又可以向逆反應方向進行的化學反應稱為可逆反應。 （2）特點：三同一小。 ①三同：A．相同條件下；B．正逆反應同時進行；C．反應物與生成物同時存在。 ②一?。喝我唤M分的轉化率都小于100%。 （3）表示 可逆反應化學方程式中用“”表示。 2、化學平衡狀態(tài) （1）概念：在一定條件下可逆反應進行到一定程度時，正反應速率和逆反應速率相等，反應物和生成物的濃度不再發(fā)生變化，這種狀態(tài)稱為化學平衡狀態(tài)，簡稱化學平衡。 （2）化學平衡的建立 （3）特征： ①逆：化學平衡研究的對象是可逆反應。 ②等：正反應速率和逆反應速率相等，都大于零。 V（正）==V（逆）≠0 ③動：化學平衡是動態(tài)平衡。 雖然V（正）==V（逆），但正、逆反應仍在進行，反應達到平衡狀態(tài)時，反應并沒有停止。 ④定：平衡體系混合物中，不再隨時間改變而改變，反應物和生成物的濃度保持一定，不再隨時間改變而改變。 ⑤變：外界條件改變，原平衡有可能被破壞，化學平衡發(fā)生移動，在新條件下建立新的平衡。 3、化學平衡狀態(tài)常用的判斷方法 項目 mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g) 是否達到平衡 混合物 體系中 各成分 的含量 各物質的物質的量或物質的量分數(shù)一定 平衡 各物質的質量或質量分數(shù)一定 平衡 各氣體的體積或體積分數(shù)一定 平衡 總體積、總壓強、總物質的量一定 不一定平衡 正、逆反 應速率 的關系 在單位時間內消耗了mmolA的同時生成mmolA，即v正＝v逆 平衡 在單位時間內消耗nmolB的同時消耗pmolC，即v正＝v逆 平衡 v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶p∶q，v正不一定等于v逆 不一定平衡 在單位時間內生成nmolB的同時消耗qmolD，v正不一定等于v逆 不一定平衡 單位時間內同一物質斷裂的化學鍵與生成的化學鍵的物質的量相等 平衡 壓強 m＋n≠p＋q時，總壓強一定(其他條件一定) 平衡 m＋n＝p＋q時，總壓強一定(其他條件一定) 不一定平衡 混合氣 體的平 均相對 分子質 量(r) r一定，當m＋n≠p＋q時 平衡 r一定，當m＋n＝p＋q時 不一定平衡 溫度 任何化學反應都伴隨著能量變化，當體系溫度一定時(其他條件不變) 平衡 氣體密度(ρ) 密度一定 不一定平衡 其他 如體系(反應前后顏色有改變)顏色不再變化 平衡 【特別提醒】化學平衡狀態(tài)判斷“三關注” 注反應條件，是恒溫恒容，恒溫恒壓，還是絕熱恒容容器；關注反應特點，是等體積反應，還是非等體積反應；關注特殊情況，是否有固體參加或生成，或固體的分解反應。 【典型例題5】【遼寧阜新海州高級中學2019屆高三第一次月考】一定溫度恒容密閉容器，可逆反應: A(g)+3B(g)?2C(g)， 下列敘述不是達到平衡的標志的是 （ ） ①C 的生成速率與C的分解速率相等 ②單位時間內a mol A 生成，同時生成3a mol B ③A、B、C 的濃度不再變化 ④混合氣體的總壓強不再變化 ⑤混合氣體的物質的量不再變化 ⑥單位時間消耗a mol A，同時生成2a mol C ⑦A、B、C 的分子數(shù)目比為1:3:2 ⑧A、B、C 的反應速率之比為1:3:2 A． ②⑤⑥⑧ B． ②⑥⑦⑧ C． ①③⑥ D． ①③④⑤ 【答案】B 【點評】可逆反應達到平衡狀態(tài)有兩個核心的判斷依據(jù)：①正反應速率和逆反應速率相等。②反應混合物中各組成成分的百分含量保持不變。只要抓住這兩個特征就可確定反應是否達到平衡狀態(tài)，對于隨反應的發(fā)生而發(fā)生變化的物理量如果不變了，即說明可逆反應達到了平衡狀態(tài)。判斷化學反應是否達到平衡狀態(tài)，關鍵是看給定的條件能否推出參與反應的任一物質的物質的量不再發(fā)生變化。 【遷移訓練1】【遼寧部分重點高中2019屆高三9月聯(lián)考】在一定溫度下的定容容器中，當下列哪些物理量不再發(fā)生變化時，表明反應A(g)+2B(g)C(g)+D(g)己達到平衡狀態(tài)的是 （ ） ①混合氣體的壓強 ②混合氣體的密度 ③B的物質的量濃度 ④混合氣體的總物質的量 ⑤混合氣體的平均相對分子質量 ⑥v(C)與v(D)的比值 ⑦混合氣體的總質量 ⑧混合氣體的總體積 ⑨C、D的分子數(shù)之比為1 : 1 A． ①③④⑤ B． ①③④⑤⑧⑨ C． ①②③④⑤⑦ D． ①②③④⑤⑥⑦⑧ 【答案】A 考點一：化學平衡狀態(tài)的判斷——“兩審”“兩標志”突破化學平衡狀態(tài)標志的判斷 1、“兩審” 一審題干條件，是恒溫恒容還是恒溫恒壓；二審反應特點：①全部是氣體參與的等體積反應還是非等體積反應；②有固體參與的等體積反應還是非等體積反應。 2、“兩標志” （1）本質標志 v正＝v逆≠0。對于某一可逆反應來說，正反應消耗掉某反應物的速率等于逆反應生成該反應物的速率。 （2）等價標志 ①全部是氣體參加的氣體體積可變的反應，體系的壓強、平均相對分子質量不再隨時間而變化。例如，N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)。 ②體系中各組分的物質的量濃度、體積分數(shù)、物質的量分數(shù)保持不變。 ③對同一物質而言，斷裂的化學鍵的物質的量與形成的化學鍵的物質的量相等。 ④對于有有色物質參加或生成的可逆反應，體系的顏色不再隨時間而變化。 例如，2NO2(g)N2O4(g)。 ⑤體系中某反應物的轉化率或某生成物的產率達到最大值且不再隨時間而變化。 【注意】不能作為“標志”的四種情況 （1）反應組分的物質的量之比等于化學方程式中相應物質的化學計量數(shù)之比。 （2）恒溫恒容下的體積不變的反應，體系的壓強或總物質的量不再隨時間而變化， 如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。 （3）全是氣體參加體積不變的反應，體系的平均相對分子質量不再隨時間而變化， 如2HI(g)H2(g)＋I2(g)。 （4）全是氣體參加的反應，恒容條件下體系的密度保持不變 【方法總結】“三法”突破平衡狀態(tài)的判斷 解答化學平衡狀態(tài)判斷題時，要牢牢抓住化學平衡的特征——“動”“定”“變”，進行靈活判斷。 （1）用“動”進行判斷 “動”——動態(tài)平衡，v(正)＝v(逆)≠0，是化學平衡的本質。 （2）用“定”進行判斷 “定”——平衡的表象。如果出現(xiàn)“各組分的濃度、物質的量(質量)分數(shù)、氣體的體積分數(shù)不再隨時間的改變而改變”“反應物的轉化率不再隨時間的改變而改變”則均能判斷反應達到化學平衡狀態(tài)。 （3）用“變”進行判斷 當用“動”“定”不能判斷時，我們用“變”進行判斷。運用此方法時，一般首先假設平衡移動，看所給的物理量是否變化，如果變化則能判斷，反之則不能。 【典型例題6】【湖北部分重點中學2018屆期中】在一絕熱（不與外界發(fā)生熱交換）的恒容容器中，發(fā)生反應：2A(g)+B(s) C(g)+D(g)，下列描述中能表明反應已達到平衡狀態(tài)的有（ ）個 ①容器內溫度不變 ②混合氣體的密度不變 ③混合氣體的壓強不變 ④混合氣體的平均相對分子質量不變 ⑤C(g)的物質的量濃度不變 ⑥容器內A、C、D三種氣體的濃度之比為2：1：1 ⑦某時刻v(A)＝2v(C)且不等于零 ⑧單位時間內生成n mol D，同時生成2n mol A A． 4 B． 5 C． 6 D． 7 【答案】C 【點評】本題考查化學平衡的標志，化學平衡的標志是：逆向相等，變量不變。“逆向相等”指達到平衡時同一物質表示的正、逆反應速率相等，說明反應達到了平衡狀態(tài)；“變量不變”指可變物理量不變是平衡的標志，不變物理量不變不能作為平衡的標志。注意本題中的B呈固態(tài)以及容器為絕熱容器。 【遷移訓練2】【浙江教育綠色評價聯(lián)盟2018年3月適應性考試】已知： X(g)＋2Y(g) 3Z(g) ΔH＝－a kJmolˉ1(a＞0)。下列說法正確的是 （ ） A． 達到化學平衡狀態(tài)時，Y 的正反應速率和 Z 的逆反應速率相等 B． 達到化學平衡狀態(tài)時，X、Y、Z 的濃度之比為 1 : 2 : 3 C． 達到化學平衡狀態(tài)時，反應放出的總熱量一定小于 a kJ D． 0.2 mol X 和 0.2 mol Y 充分反應生成 Z 的物質的量一定小于 0.3 mol 【答案】D 考點二：化學反應方向的判斷 焓變、熵變和溫度對化學反應方向的影響 ΔH ΔS ΔH－TΔS 反應情況 － ＋ 永遠是負值 在任何溫度下過程均自發(fā)進行 ＋ － 永遠是正值 在任何溫度下過程均非自發(fā)進行 ＋ ＋ 低溫為正高溫為負 低溫時非自發(fā)，高溫時自發(fā) － － 低溫為負高溫為正 低溫時自發(fā)，高溫時非自發(fā) 【典型例題6】【遼寧大連2018屆期末】一定條件下，下列反應不可能自發(fā)進行的是 （ ） A． 2O3(g)==3O2(g) △H<0 B． CaCO3(s)==CaO( s)+ CO2(g) △H>0 C． N2(g) +3H2(g)2NH3(g) △H<0 D． 2CO(g)=2C(s)+ O2(g) △H>0 【答案】D 【點評】熟悉熵變與焓變與反應自發(fā)進行關系是解題關鍵，在等溫、等壓條件下，化學反應的方向是由反應的焓變和熵變共同決定的．化學反應自發(fā)進行的最終判據(jù)是吉布斯自由能變，自由能一般用△G來表示，且△G=△H-T△S，當△G=△H-T△S＜0時，反應向正反應方向能自發(fā)進行；當△G=△H-T△S=0時，反應達到平衡狀態(tài)；當△G=△H-T△S＞0時，反應不能向正反應方向自發(fā)進行，答題時注意靈活應用。 【遷移訓練3】【陜西西安一中2018屆高三上學期第一次考試】分析下列反應在任何溫度下均能自發(fā)進行的是 （ ） A． 2N2(g)＋O2(g)=2N2O(g) ΔH＝＋163 kJmol－1 B． Ag(s)＋1/2Cl2(g)=AgCl(s) ΔH＝－127 kJmol－1 C． HgO(s)=Hg(l)＋1/2O2(g) ΔH＝＋91 kJmol－1 D． H2O2(l)= 1/2O2(g)＋H2O(l) ΔH＝－98 kJmol－1 【答案】D 【解析】根據(jù)ΔG＝ΔH－TΔS可知，當ΔG＜0時，即ΔH＜TΔS時，反應能自發(fā)進行，ΔG＞0時，即ΔH＞TΔS時，反應不能自發(fā)進行。A．反應是氣體體積減小的吸熱反應，在低溫下非自發(fā)進行，在高溫下可自發(fā)進行，錯誤；B．反應是氣體體積減小的放熱反應，在低溫下自發(fā)進行，在高溫下非自發(fā)進行，錯誤；C．反應是氣體體積擴大的吸熱反應，在低溫下非自發(fā)進行，在高溫下可自發(fā)進行，錯誤；D．反應是氣體體積擴大的放熱反應，在任何溫度下都可自發(fā)進行，正確。故選D。