化学反应的方向和限度

..第2节化学反应的方向和限度★考纲要求1．了解化学反应的方向与化学反应的焓变和熵变之间的关系。2．掌握化学反应在一定条件下能否自发进行的判断依据。3．能够利用化学反应的焓变和熵变判断化学反应的方向。4．了解可逆反应的定义。5．理解化学平衡的定义。6．理解影响化学平衡的因素。7．理解化学平衡常数的定义并能进行简单计算。★高考动向本节重要知识有化学反应进行的方向、化学平衡的概念、特征、化学平衡状态的判断、化学平衡常数的概念及计算。化学平衡常数的计算是近几年高考新增的热点，化学平衡的判断及计算一直是高考的热点，预测2014年的高考，结合化工生产，综合考查化学平衡的判断及化学平衡常数的计算会有所体现。★基础知识梳理一、化学反应进行的方向1．自发过程(1)含义：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。(2)特点①体系趋向于从高能量状态转变为低能量状态(体系对外部做功或放出热量)。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)。2．化学反应方向的判据(1)焓判据放热过程中体系能量降低，ΔH0，具有自发进行的倾向，但有些吸热反应也可以自发进行，故只用焓变判断反应方向不全面。(2)熵判据①熵：衡量体系混乱_程度的物理量，符号为S。..②熵的大小：同种物质，三种状态下，熵值由大到小的顺序为S(g)S(l)S(s)。③熵判据体系的混乱度增大，ΔS0，反应有自发进行的倾向。但有些熵减的过程也能自发进行，故只用熵变来判断反应方向也不全面。(3)复合判据——自由能变化①符号：ΔG，单位：kJ/mol②公式：ΔG＝ΔH－TΔS③应用恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据，不仅与焓变和熵变有关，还与温度有关，可推出下列关系式：a．当ΔH0，ΔS0时，ΔG0，反应一定自发进行。b．当ΔH0，ΔS0时，ΔG0，反应不可自发进行。c．当ΔH0，ΔS0或，ΔH0，ΔS0时，反应是否自发与温度有关。【注意】能自发进行的反应不一定能实际发生，化学反应方向的判据指出的仅仅是在一定条件下化学反应自发进行的趋势，并不能说明在该条件下反应是否实际发生，还要考虑化学反应的快慢问题。二、可逆反应1．定义相同条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的化学反应。2．特点反应物与生成物同时存在；任一组分的转化率小于100%。3．表示用可逆符号表示。4．化学平衡状态(1)概念一定条件下的可逆反应中，正反应速率与逆反应速率相等，反应体系中所有参加反应的物质的质量保持不变的状态。(2)平衡特点..⑦正反应速率＝逆反应速率⑧质量(或浓度)【注意】“v(正)＝v(逆)”，是化学平衡状态微观本质的条件，其含义可简单地理解为：对反应物或生成物中同一物质而言，其生成速率等于消耗速率。“反应混合物中各组分的浓度不变”是平衡状态的宏观表现，是v(正)＝v(逆)的必然结果。三、化学平衡常数1．概念在一定温度下，当一个可逆反应达到化学平衡时，生成物浓度计量数次方的乘积与反应物浓度计量数次方的乘积的比值是一个常数，用符号K表示。2．表达式对于反应mA(g)＋nB(g)←→pC(g)＋qD(g)，K＝cpCcqDcmAcnB(固体和纯液体的浓度为常数，通常不计入平衡常数表达式中)。3．意义(1)K值越大，反应物的转化率越大，正反应进行的程度越大。(2)K只受温度影响，与反应物或生成物的浓度变化无关。(3)化学平衡常数是指某一具体反应的平衡常数。①若反应方向改变，则平衡常数改变。正、逆反应的平衡常数互为倒数。②若方程式中各物质的系数等倍扩大或缩小，尽管是同一反应，平衡常数也会改变。如：N2O4(g)←→2NO2(g)K(373K)＝c2NO2cN2O4＝0.3612N2O4(g)←→NO2(g)..K′(373K)＝cNO2c1/2N2O4＝0.36＝0.602NO2(g)←→N2O4(g)K″(373K)＝cN2O4c2NO2＝10.36≈2.8因此书写平衡常数表达式及数值，要与化学反应方程式相对应，否则意义就不明确。【误区警示】化学平衡常数K值的大小是可逆反应进行程度的标志，它能够表示可逆反应进行的完全程度。一个反应的K值越大，表明平衡时生成物的浓度越大，反应物的浓度越小，反应物的转化率也越大。可以说，化学平衡常数是在一定温度下一个反应本身固有的内在性质的定量体现。★高频考点剖析考点一化学反应进行的方向及判据1.化学反应进行方向的事实判据(1)由不稳定物质向稳定物质转变如2NaHCO3=====△Na2CO3＋CO2↑＋H2O，稳定性Na2CO3NaHCO3。(2)离子反应总是向着使反应体系中某些离子浓度减小的方向进行①溶解度大的物质向溶解度小的物质转变，如CaSO4(微溶)＋Na2CO3===CaCO3↓＋Na2SO4。②由相对强酸(碱)向相对弱酸(碱)转变，如CH3COOH＋NaHCO3===CH3COONa＋CO2↑＋H2O，Na2SiO2＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，所以酸性强弱：CH3COOHH2CO3H2SiO3。(3)由难挥发性物质向易挥发性物转变如NaCl＋H2SO4(浓)=====△NaHSO4＋HCl↑，所以沸点H2SO4(浓)HCl。(4)由氧化性(还原性)强的物质向氧化性(还原性)弱的物质转变如2FeCl3＋2KI===2FeCl2＋I2＋2KCl,2FeCl2＋Cl2===2FeCl3，则氧化性Cl2FeCl3I2。2．焓变和熵变共同判断反应的方向在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔG＝ΔH－TΔS0的方向进行，直..至达到平衡状态，ΔG＝ΔH－TΔS＝0表明反应已达到平衡状态：ΔG＝ΔH－TΔS0表明反应不能自发进行。特别提醒：(1)ΔH0，ΔS0的反应在任何温度下一定能自发进行；(2)ΔH0，ΔS0的反应在任何温度下一定不能自发进行；(3)焓变和熵变的作用相反，且相差不大时，温度有可能对反应方向起决定性作用，当ΔH0，ΔS0时，较低温度下反应自发进行，当ΔH0，ΔS0时，较高温度下反应自发进行。例1(2012·长春)对于反应4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)ΔH＝－444.3kJ·mol－1，且熵减小，在常温常压下该反应能自发进行，对反应的方向起决定作用的是()A．焓变B．温度C．压强D．熵变解析根据焓判据和熵判据组成的复合判据ΔH－T·ΔS0时，反应能够自发进行，由于熵减小，因此该反应能自发进行，ΔH一定小于零。答案A互动训练1(2011·浙江省金丽衢十二校联考)反应2AB(g)===C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温下能自发进行，则该反应的ΔH、ΔS应为()A．ΔH0，ΔS0B．ΔH0，ΔS0C．ΔH0，ΔS0D．ΔH0，ΔS0解析由反应方程式可看出反应后气体物质的量增加，ΔS0。又由于反应能自发进行的前提是：ΔH－TΔS0，该反应在高温时能自发进行，其逆反应在低温下能自发进行，说明ΔH0。答案C考点二化学平衡状态的判断1.本质标志：同一种物质的消耗速率与生成速率相等。2．等价标志a．可逆反应的正、逆反应速率不再随时间发生变化。b．体系中各组分的物质的量浓度、体积分数或物质的量分数保持不变。..c．各反应物的转化率不变。d．对于同一反应，一种物质所代表的正反应速率和另一种物质所代表的逆反应速率的比值等于它们在化学方程式中的计量数之比。3．特殊标志(1)压强a．对于反应前后气态物质的化学计量数有变化的可逆反应，当体系总压强不变时，则可逆反应处于化学平衡状态。如：N2(g)＋3H2(g)←→2NH3(g)、2NO2(g)←→N2O4(g)、2SO2(g)＋O2(g)←→2SO3(g)、C(s)＋H2O(g)←→CO(g)＋H2(g)等。b．对于化学反应前后气态物质的化学计量数没有变化的可逆反应，当体系总压强不变时，可逆反应可能处于化学平衡状态。如：H2(g)＋I2(g)←→2HI(g)、CO(g)＋H2O(g)←→CO2(g)＋H2(g)等。(2)气体平均摩尔质量数学表达式：Mg＝mgng。均为气体参加的可逆反应：当Δn(g)≠0，M一定时，可逆反应处于化学平衡状态。当Δn(g)＝0。M一定时，可逆反应可能处于化学平衡状态。(3)气体密度数学表达式：ρ＝mgVg各组分均为气体恒容：ρ总为恒值，不能作为平衡标志恒压：Δng0，ρ为一定值时，则可作为平衡标志Δng＝0，ρ为一定值时，则不能作为平衡标志(4)体系中气体的颜色气体的颜色不变，即某种物质的浓度不变，可以作为平衡状态的标志。注意：反应速率或反应体系中各物质的物质的量浓度之比等于反应方程式化学计量数之比不能作为平衡状态的判断依据。特别提醒：(1)判断化学平衡状态时，首先要审清反应的外界条件，抓住反应的特点(化学计量数、物质的状态等)。然后再具体分析。..(2)化学平衡状态的判断中无论是哪种情况，只要符合①v(正)＝v(逆)；②各组分的质量或物质的量浓度保持不变中的一个，则该反应就达到了平衡状态。例2可逆反应：2NO2(g)←→2NO(g)＋O2(g)，体积固定的密闭容器中，达到平衡状态的标志是()①单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO2②单位时间内生成nmolO2的同时生成2nmolNO③用NO2、NO、O2表示的反应速率的比为2∶2∶1的状态④混合气体的颜色不再改变的状态⑤混合气体的密度不再改变的状态⑥混合气体的压强不再改变的状态⑦混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态A．①④⑥⑦B．②③⑤⑦C．①③④⑤D．全部思路点拨①该反应的反应特点系数增加②反应条件温度、体积不变――→依据平衡标志v正＝v逆，各组分百分含量不变―→逐项分析(颜色、密度、压强、平均相对分子质量的变化与平衡根本标志的关系)解析本题不仅考查了化学平衡的直接标志，也要求对化学平衡的间接标志进行分析、判断。该反应为反应前后气体体积发生变化的反应，恒容条件下，无论是否平衡，单位时间内生成nmolO2的同时都会同时生成2nmolNO，故①正确，表明了v正＝v逆。②不正确，无论是否平衡，用NO2、NO、O2的物质的量浓度变化表示的反应速率的比均为2∶2∶1，故③不正确。混合气体的颜色不再改变，说明NO2的浓度不变，即达到平衡状态，故④正确。混合气体的密度＝m混合气体V，因为m(混合气体)和V始终不变，故混合气体的密度始终不变，故⑤不正确，Mr＝m混合气体n混合气体，因为m(混合气体)不变，可知当Mr不变时，推知n(混合气体)不再改变，说明反应已达到平衡状态，故⑥正确。反应前后气..体体积不等，压强不变，说明各物质的含量不再变化，⑦正确。答案A互动训练2在一定温度下的定容容器中，当下列哪些物理量不再发生变化时，表明反应A(g)＋2B(g)←→C(g)＋D(g)已达到平衡状态的是()①混合气体的压强②混合气体的密度③B的物质的量浓度④混合气体的总物质的量⑤混合气体的平均相对分子质量⑥v(C)与v(D)的比值⑦混合气体的总质量⑧混合气体的总体积⑨C、D的分子数之比为1:1A．①②③④⑤⑥⑦⑧B．①③④⑤C．①②③④⑤⑦D．①③④⑤⑧⑨解析要理解化学平衡状态的特点“等、动、定”的含义，在判断化学平衡状态时还要注意反应前后气体体积是否相等。题给反应是一个反应前后气体体积不相等的反应，因此在定容容器中，若①混合气体的压强、③B的物质的量浓度、④混合气体的总物质的量、⑤混合气体的平均相对分子质量不再变化，均能证明该反应达到化学平衡状态。而②中ρ＝mgV容始终不变化，⑥中没指明反应进行的方向，⑦m(g)始终不变化，⑧在定容容器中，混合气体的总体积不能作为判断依据，⑨反应未达到平衡时，C、D气体的分子数之比也为1:1。答案B考点三化学平衡常数应用及相关计算1.应用(1)判断、比较可逆反应进行程度的大小K值越大，反应进行的程度越大；K值越小，反应进行的程度越小。..(2)判断可逆反应是否达到化学平衡状态对于可逆反应aA(g)