第五章 · 第三节
化学反应的方向
焓变 · 熵变 · 自发反应判据

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 了解焓变和熵变的概念
  • 理解自发反应的判据
  • 掌握焓变、熵变与反应方向的关系
知识点一:焓与焓变
焓变
化学反应在恒压下的热效应,用ΔH表示。放热反应ΔH<0,吸热反应ΔH>0。焓变是判断反应方向的因素之一:焓减(ΔH<0)有利于反应自发进行。
常见焓变
  • 放热反应:ΔH<0(如燃烧反应)
  • 吸热反应:ΔH>0(如分解反应)
  • 焓减有利于自发,但不是唯一判据
知识点二:熵与熵变
熵变
熵(S)是描述体系混乱度的物理量。熵变ΔS=S生成物-S反应物。熵增(ΔS>0)有利于反应自发进行。固体→液体→气体,混乱度增大,熵增。
熵增的判断
  • 气体分子数增加→熵增(如CaCO₃=CaO+CO₂↑)
  • 固体溶解→熵增
  • 大分子分解为小分子→熵增
  • 混合过程→熵增
知识点三:自由能与自发反应
自由能判据
恒温恒压下,吉布斯自由能变 ΔG=ΔH-TΔS。ΔG<0反应自发;ΔG>0反应非自发;ΔG=0反应达到平衡。
焓变
ΔH
ΔH<0放热
kJ/mol
熵变
ΔS
ΔS>0熵增
J/(mol·K)

🎬 动画讲解

📢
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🧪 互动实验:自发反应判断

💡 调节焓变和熵变,观察反应是否自发
⚙️ 实验参数
📋 实验结论
ΔG=ΔH-TΔS。当ΔG<0时反应自发,ΔG>0时非自发。放热且熵增的反应在任何温度下都自发;吸热且熵减的反应在任何温度下都不自发;其他情况取决于温度。

📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1熵变判断
判断下列反应的熵变是增还是减:①CaCO₃=CaO+CO₂↑ ②2H₂+O₂=2H₂O(g) ③NH₄Cl(s)=NH₃(g)+HCl(g)
🔍 解题过程
1①CaCO₃(s)→CaO(s)+CO₂(g):固体生成气体,气体分子数增加,混乱度增大,ΔS>0(熵增)。②2H₂(g)+O₂(g)→2H₂O(g):3mol气体→2mol气体,气体分子数减少,ΔS<0(熵减)。
2③NH₄Cl(s)→NH₃(g)+HCl(g):固体生成2mol气体,混乱度大大增加,ΔS>0(熵增)。判断方法:看气体分子数变化和物态变化。
✅ ①ΔS>0(熵增)②ΔS<0(熵减)③ΔS>0(熵增)
例题 2自发反应判断
已知反应ΔH=-40kJ/mol,ΔS=+120J/(mol·K),在298K时是否自发?
🔍 解题过程
1计算ΔG=ΔH-TΔS。注意单位统一:ΔS=120J/(mol·K)=0.120kJ/(mol·K)。ΔG=-40-298×0.120=-40-35.76=-75.76kJ/mol。
2ΔG=-75.76kJ/mol<0,故反应在298K时自发进行。该反应放热(ΔH<0)且熵增(ΔS>0),在任何温度下都自发。
✅ ΔG=-75.76kJ/mol<0,反应自发进行。放热且熵增,任何温度下都自发。

🚀 拓展提升

自发过程的共同特征

自发过程是不需外界帮助就能自动进行的过程。如水往低处流、热从高温传到低温、气体扩散。自发过程的逆过程不能自发进行,需要外界做功。自发不等于快速,如H₂+O₂在常温下自发但速率极慢。

四种情况分析

  • ΔH<0, ΔS>0:任何温度自发(如燃烧反应)
  • ΔH>0, ΔS<0:任何温度非自发
  • ΔH<0, ΔS<0:低温自发、高温非自发
  • ΔH>0, ΔS>0:低温非自发、高温自发(如分解反应)

温度对自发性的影响

当ΔH和ΔS符号相反时,温度不影响自发性方向。当ΔH和ΔS同号时,存在转变温度T=ΔH/ΔS,低于此温度一种情况,高于则相反。如CaCO₃分解ΔH>0、ΔS>0,高温才能自发。

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题★☆☆ 基础
下列过程熵增加的是?
A水结冰
BCaCO₃分解
C2H₂+O₂=2H₂O(g)
D气体液化
第 2 题★☆☆ 基础
判断反应自发性的公式是?
AΔG=ΔH-TΔS
BΔG=ΔH
CΔG=ΔS
DΔG=ΔH+TΔS
第 3 题★★☆ 巩固
放热且熵增的反应在什么条件下自发?
A任何温度都自发
B仅低温自发
C仅高温自发
D不自发
第 4 题★★☆ 巩固
已知ΔH=-40kJ/mol,ΔS=+0.12kJ/(mol·K),T=298K,则ΔG=___kJ/mol(只填数字,保留2位小数)。
第 5 题★★★ 拓展
吸热且熵增的反应在___温条件下自发(填"低"或"高")。

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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课程完成!

恭喜你完成了「化学反应的方向」的学习!

📌 核心要点:
① 焓变ΔH:放热ΔH<0有利于自发
② 熵变ΔS:熵增ΔS>0有利于自发
③ 判据:ΔG=ΔH-TΔS,ΔG<0自发
④ 放热熵增:任何温度自发
⑤ 吸热熵增:高温自发(如分解反应)