化学反应进行的方向及判据

专题2 化学反应速率与化学平衡
第二单元化学反应的方向和限度
第一课时化学反应进行的方向
一、教学目标
1．了解自发反应的含义
2．了解焓变、熵变与反应方向的判断
3．学会利用反应方向的判据ΔG=ΔH- TΔS判断反应方向
二、教学重点与难点
焓减和熵增与化学反应方向的关系
三、教学方法
1、应用讨论交流的方法调动学生的积极性，充分发挥学生的想象力；
2、启发学生学会归纳、概括，对信息进行加工，得出结论；
3、注重从学生已有知识及日常生活的经验上构建新知识。

四、教学过程
[设问]上新课之前，请同学们根据生活经验，举例说说我们见过的自发过程（在一定条件下不需外力作用就能自动进行的过程）。

[学生讨论]……
[总结]生活中的自发过程很多，如：水由高处往低处流，自由落体，铁器暴露于潮湿的空气中会生锈，室温下冰块会融化，……这些都是自发过程，它们的逆过程是非自发的。

[导入]与自然界中的许多变化一样，化学反应具有方向性，许多化学反应的正反应能自动进行，而其逆反应无法自动进行。

例如Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu，这节课我们来讨论化学反应的方向问题。

[板书]化学反应进行的方向
[交流与讨论]讨论下列反应在室温下能否自发进行，如能自发进行请写出相应的化学方程式
1、水分解成氢气和氧气的反应。

2、氯气与溴化钾溶液的反应。

3、乙烯与溴单质的反应。

4、氮气和氧气生成一氧化氮的反应。

[板书]自发反应：在一定温度和压强下不需外界帮助，就能自动进行的反应，称为自发反应。

[过渡]究竟如何判断某个反应进行的方向或者说反应是否自动进行？
[分析与讨论]下列反应都能自发进行，分析其可能的原因
3Fe(s) + 2O2(g) = Fe3O4(s) △H = -1118.4 kJ·mol-1
C(s) + O2(g) = CO2(g) △H = -393.509 kJ·mol-1
CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) △H = -890.36 kJ·mol-1
[讲述]在研究各种体系的变化过程时，人们发现自然界的自发过程一般都朝着能量降低的方向进行。

显然，能量越低，体系的状态就越稳定。

化学反应一般亦符合上述能量最低原理。

的确，很多放热反应，(ΔrHm<0) 在298.15K、标准态下是自发的。

而且反应放出热量越多，体系能量降低得也越多，反应也越完全
结论：自发过程都由能量较高状态向能量较低状态转化的倾向，反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一。

[板书]判断化学反应方向的依据一（焓判据）： H＜0 的反应有自发进行的倾向。

[分析]有人曾试图以反应的焓变(ΔH)作为反应自发性的判据。

认为在等温等压条件下，当ΔH < 0时：化学反应自发进行，ΔH> 0时：化学反应不能自发进行，但是，实践表明：有些吸热过程(ΔH>0)亦能自发进行。

例如，NH4NO3溶于水是吸热过程，但在298.15K、标准态下能自发进行：
NH4NO3(s) =NH4++(aq) + NO3-(aq)；△H = 14.7 kJ·mol-1
又如，CaCO3的分解反应是吸热反应(ΔH >0)
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)；△H = 178.32 kJ·mol-1
在298.15K、标准态下反应是非自发的。

但当温度升高到约1123K时，CaCO3的分解反应就变成自发过程，而此时反应的焓变仍近似等于178.32kJ·mol-1,(温度对焓变影响甚小)。

由此可见，把焓变作为反应自发性的普遍判据是不准确、不全面的。

因此除了反应焓变以外，肯定有其它因素的的制约。

[设问]为什么有些吸热过程亦能自发进行呢?
[解释]下面以NH4NO3的溶解为例说明之。

例如，NH4NO3晶体中的NH4+和NO3-，在晶体中的排列是整齐、有序的。

NH4NO3晶体投入水中后，形成水合离子(以aq表示)并在水中扩散。

在NH4NO3溶液中，无论是NH4+(aq)、NO3-(aq)还是水分子，它们的分布情况比NH4NO3溶解前要混乱得多。

[结论]体系混乱度的增加和温度的改变，也是许多化学和物理过程自发进行的影响因素。

由此可见，自然界中的物理和化学的自发过程一般都朝着混乱程度(简称混乱度)增大的方向进行。

体系内组成物质粒子运动的混乱程度，在热力学中用另一个物理量──“熵”来表示(其符号为“S”)。

[板书]判断化学反应方向的依据二（熵判据）：大多数自发进行的反应趋向于使体系的混乱度增加的倾向
[分析]一定条件下处于一定状态的物质及整个体系都有其各自确定的熵值。

因此，熵是描述物质混乱度大小的物理量，物质(或体系)的混乱度越大，对应的熵值就越大，反应前后体系熵的变化叫做反应的熵变，用△S表示。

[拓展]物质的聚集状态不同其熵值不同，同种物质的(g)>(1)>(s)。

物质的熵值随温度的升高而增大。

气态物质的熵值随压力的增大而减小。

[分析]熵与焓一样，化学反应的熵变(ΔS)与反应焓变(ΔH)的计算原则相同，只取决于反应的始态和终态，而与变化的途径无关。

[板书]变化前后体系的混乱度增大，此过程△S >0, △S越大，越有利于反应的自发进行；变化前后体系的混乱度减少，此过程△S<0，△S越小，不利于反应的自发进行。

[问题解决]下列情况的熵变是增大的还是降低的：
1、H2O(S)→H2O(l)→H2O（g）；
2、2NaHCO3（S）= Na2CO3(S)+H2O(g)+CO2（g）；
3、NaOH=Na+（aq）+OH-（aq）
4、N2(g) + 3H2(g)⇌ 2NH3(g)
由此可见，判断反应能否自发进行，必须从焓变与熵变两个角度进行分析
[板书]三、焓变与熵变对反应方向的共同影响。

[讲述]在一定条件下，一个化学反应能否自发进行，既与反应焓变有关，又与反应熵变有关。

研究表明，在恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据是：
[板书]体系自由能变化（△G、单位：KJ/mol）：△G = △H - T△S
[强调]体系自由能变化综合考虑了焓变和熵变对体系的影响。

[板书]在一定温度和压强下：
△H - T△S < 0 反应能自发进行；
△H - T△S = 0 反应达到平衡状态；
△H - T△S > 0 反应不能自发进行。

[举例]对反应CaCO3（s）= CaO（s）+ CO2（g）
△H = + 178.2 KJ·mol-1△S = +169.6 J·mol-1·K-1
室温下，△G =△H-T△S =178.2KJ·mol-1–298K×169.6×10-3KJ·mol-1·K-1=128 KJ·mol-1>0 因此，室温下反应不能自发进行；
如要使反应自发进行，则应使△H - T△S < 0，
则T>△H/△S=178.2 KJ ·mol -1/0.1696 KJ ·mol -1·K -1
= 1051K 。

[展示]
五、课堂练习
1、下列反应一定能自发进行的是（ D ）
A 、放热反应
B 、熵增加的反应
C 、熵增加的吸热反应
D 、熵增加的放热反应
2、下列说法正确的是（ C ）
A ．凡是放热反应都是自发的，由于吸热反应都是非自发的；
B ．自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减少或不变；
C ．自发反应在恰当条件下才能实现；
D ．自发反应在任何条件下都能实现。

5．下列过程属于熵增过程的是（ AD ）
A ．硝酸钾溶解在水里面；
B ．氨气和氯化氢反应生成氯化铵晶体；
C ．水蒸气凝结为液态的水；
D ．(NH 4)2CO 3分解生成二氧化碳、氨气和水。

六、板书设计
化学反应的方向
1、自发反应：在一定温度和压强下不需外界帮助，就能自动进行的反应，称为自发反应。

2、判断化学反应方向的依据：
（1）依据一（焓判据）： H ＜0 的反应有自发进行的倾向
（2）依据二（熵判据）：大多数自发进行的反应趋向于使体系的混乱度增加倾向
3、焓变与熵变对反应方向的共同影响
在一定温度和压强下：
△H - T △S < 0 反应能自发进行；
△H - T △S = 0 反应达到平衡状态；
△H - T △S > 0 反应不能自发进行。

△S △H。