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化学反应的方向性是化学反应的基本特征。以合成氨反应为例，氮气和氢气可以结合生成氨气，这是正向反应；同时氨气也可以分解为氮气和氢气，这是逆向反应。反应的方向与能量变化密切相关，温度和压力等条件会影响反应进行的方向。理解反应方向对于化学平衡和工业生产具有重要意义。
热力学第一定律和第二定律为判断化学反应方向提供了理论基础。焓变ΔH反映反应的热效应，放热反应ΔH小于零，有利于反应进行；吸热反应ΔH大于零，不利于反应进行。熵变ΔS反映体系混乱度的变化，熵增过程ΔS大于零，符合热力学第二定律，有利于反应自发进行。这两个因素共同决定了化学反应的方向。
吉布斯自由能是判断化学反应自发性的综合判据。公式ΔG等于ΔH减去TΔS，综合考虑了焓变和熵变的影响。当ΔG小于零时，反应可以自发进行；当ΔG等于零时，反应达到平衡状态；当ΔG大于零时，反应不能自发进行。温度的变化会影响ΔG的数值，从而改变反应的自发性。这个判据为我们预测和控制化学反应提供了重要的理论依据。
标准自由能变化是在标准条件下测定的自由能变化值。标准条件通常指298开尔文和1个大气压。我们可以通过标准生成自由能来计算反应的标准自由能变化。以甲烷燃烧反应为例，根据各物质的标准生成自由能数据，计算得到反应的标准自由能变化为负818千焦每摩尔，说明反应可以自发进行。标准自由能变化还与平衡常数存在对数关系，这为我们定量分析反应提供了重要工具。
温度对化学反应方向有重要影响。根据吉布斯自由能公式，我们可以分四种情况讨论。当焓变小于零且熵变大于零时，反应在任何温度下都自发进行；当焓变大于零且熵变小于零时，反应在任何温度下都不能自发进行；当焓变小于零且熵变小于零时，反应在低温下自发；当焓变大于零且熵变大于零时，反应在高温下自发。碳酸钙分解反应就是第四种情况的典型例子，需要高温才能自发进行。