2.3 化学反应的方向 课件 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第三节 化学反应的方向 第二章 化学反应速率和化学平衡 核心素养发展目标 1、知道化学反应是有方向的。 2、知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关。 3、能判断熵的变化（熵增或熵减） 4、能结合具体事例说明反应自发进行的方向。 水向低处流 花香四溢 墨水在水中扩散 这些生活中的现象将向何方发展，我们非常清楚，因为它们有明显的自发性——其中是否蕴藏了一定的科学原理？什么是自发过程？他们有没有自发的方向？ 自发过程：不需借助外界力量，就能自行发生的过程。且有方向性~ 宏观探究 与自然界中的许多变化一样，化学反应也具有方向性。化学反应中酸碱中和、铁器暴露在潮湿空气中生锈、甲烷和氧气的混合气体遇明火就燃烧、锌与CuSO4溶液反应等， 这些过程都是自发的。 化学反应原理 化学反应的快慢 ——化学反应速率 化学反应的限度 ——化学平衡 化学反应的方向 —— ? 在一定的温度、压强条件下，一个化学反应会朝着什么方向自发进行？如何判断一个过程，一个反应能否自发进行？ 宏观探究 ①H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l) ②1/2H2(g)+1/2Cl2(g)= HCl(g) ③Na(s)+H2O(l)=NaOH(aq)+1/2H2(g) ④铁生锈：2Fe(s)+3/2O2(g)= Fe2O3(s) ⑤NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ∆H= -286kJ·mol-1 ∆H= -92kJ·mol-1 ∆H= -184kJ·mol-1 ∆H= -824kJ·mol-1 ∆H= -57.3kJ·mol-1 下列反应在一定条件下都能自发进行，你知道这些反应能自发进行的主要原因吗？ 反应物的总能量高 生成物的总能量低 放热反应 H < 0 体系的能量降低 共同特点：△H < O 即放热反应。 结论：放热反应体系能量降低，具有自发倾向。 证据推理 焓判据：体系趋向于从能量高的状态转变为能量低的状态，因此放热反应（ △H<0 ）有利于反应自发进行。 19世纪，化学家们曾认为决定化学反应能否自发进行的因素是反应热：放热反应可以自发进行，吸热反应则不能自发进行。 你同意这种观点吗？ 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) △H>0 NaHCO3(s)+HCl ＝NaClaq)+CO2(g)+ H2O(l) △H= ＋31.4kJ/mol 焓变只是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。 这些吸热反应也是自发反应 证据推理 吸热反应能自发进行。怎么解释？ 描述体系混乱(或无序)程度的物理量“熵”（符号S）。 体系除了具有从高能状态自发地转变为低能状态的倾向，还有从有序自发地转变为无序的倾向。 体系越混乱(无序),熵值越大 课本 P41-42 请思考以下问题： 一碗红豆和一碗黄豆同时被撒在地上会怎样？ 一盒整齐的火柴掉到地上会怎样？ 一滴红墨水滴到水中会怎样？ 下课后的教室里会怎样？ 如果没有法律的制约，世界会怎样？ 火柴掉地 红墨水扩散 宏观探究 二、熵判据 1.熵： 符号S，表示混乱度（无序度）的物理量。 3.熵变： 熵的变化，用△S表示。 4.熵增原理： 在密闭体系中，熵增体系（ △S>0 ）有自发倾向。 注意： 有的熵减反应也是自发的，如-10℃的液态水就会自动结冰（熵减），但它是放热的。所以只根据熵变判断反应进行方向跟只用焓判据一样都是不全面的。 2. 规律： 同一物质的熵S (g)> S (l)> S (s)。如水蒸气>水>冰 Zn(s) + H2SO4(aq)=ZnSO4 (aq) + H2(g) 2KClO3(s)=2KCl(s) +3O2(g) 如： 2NO(g) +2CO(g)=N2(g) +2CO2(g) 4Fe(OH)2(s) + O2(g) +2H2O(l)=4Fe(OH)3(s) 缩体熵减，但自发进行 再如： 增体熵增，自发进行 S(水) ：69.9 J·mol-1·K-1 S(冰) ：47.9 J·mol-1·K-1 S(水蒸气)：188.7 J·mol-1·K-1 同一物质：S(g)>S(l)>S(s)。 熵变(△S)： △S=S(产物) — S(反应物） △S>0,熵增反应 △S<0,熵减反应 同一物质不同状态下熵值相等吗？ 通常情况下，气体分子数增大的化学反应为熵增的反应。 熵增 ∆S＞0 熵增 ∆S＞0 证据推理 试根据熵的定义判断下列过程中体系的熵变大于零还是小于零。 (1)水蒸气冷凝成水 (2)硫酸铜溶于水 (3)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) (4) 2N2O5(g)＝4NO2(g)+O2(g) (5)2H2(g)+ O2(g) ＝2H2O (l) △S<0 △S>0 △S>0 △S<0 △S>0 ①产生气体的反应 ②气体物质的量增大的反应为熵增反应。 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8 H2O(s)=NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2 (g) (NH4) 2CO3(s) = NH4HCO3(s)+NH3(g) 想一想：下列吸热反应为什么能自发进行？有什么共同点？ 上述反应过程中气体分子数增大，反应的熵值增大。 ∆ S ﹥ 0 2H2(g)+O2(g)= 2H2O(l) △S<0 NH3(g)+HCl(g)= NH4Cl(s) △S<0 都可自发进行 结论：熵增加(ΔS＞0)有利于化学反应的自发进行，但不是唯一因素， 只根据熵变来判断反应进行的方向也是不全面的。 熵判据：体系趋向于从有序转变为无序，因此熵增反应( △S >0 )有利于反应自发进行。所有自发进行的化学反应都是熵增的？ 模型构建 (1) 焓判据：放热反应(△H <0)一般易自发进行。 (2) 熵判据：熵增反应(增体反应，△G>0)一般易自发进行。 (3)很多情况下，简单地只用其中一个判据判断同一个反应，可能会出现相反的判断结果，所以应两个判据兼顾。由焓判据和熵判据组合成的复合判据(吉布斯自由能变△G)将更适合于所有的过程。 反应能否自发还与温度有关 要正确判断一个化学反应能否自发进行,必须综合考虑反应的焓变△H和熵变△S 小结 自发反应的方向与焓变、熵变有关，判断反应自发进行的方向，需综合考虑体系的焓变和熵变。 1876年，吉布斯（美）提出自由能变化 ΔG，并认为化学反应总是向着自由能减小（ ΔG < 0）的方向进行，直至达到平衡。在恒温、恒容的封闭体系中，∆ G = ∆ H – T ∆ S （Ｔ为热力学温度，为正值） 当ΔG<0， 反应能自发进行； 当ΔG＝0，反应处于平衡状态； 当ΔG>0， 反应不能自发进行。 ∆H<0 ∆S>0 所有温度下 反应自发进行 ∆H>0 ∆S>0 高温下 反应自发进行 ∆H<0 ∆S<0 低温下 反应自发进行 ∆H<0 ，∆S<0 所有温度下 反应不能自发进行 温度与反应方向关系图 如氢气在氧气中燃烧 如石墨高温高压变为金刚石 如活泼金属与酸反应 如高温锻烧石灰石 4.一定条件下发生反应：CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g) ，如图表示该反应过程中能量（单位kJ·mol-1）的变化。关于该反应的下列说法中，正确的是（ ） A.ΔH>0，△S>0 B.ΔH>0,△S＜0 C.ΔH＜0，△S＜0 D.ΔH＜0，△S>0 C 三、吉布斯自由能变△G 自由能变△G综合考虑了焓变(△H)和熵变(△S)对体系的影响： △G=△H-T△S (T为热力学温度，T＝t+273,单位开尔文K) 当△G<0时，自发反应 当△G>0时，非自发反应 当△G=0时，平衡状态 △H △S 反应类型 △G 化学反应能否自发进行 <0 >0 放热的熵增反应 >0 <0 吸热的熵减反应 <0 <0 放热的熵减反应 >0 >0 吸热的熵增反应 自发进行 不自发进行 不确定 <0 >0 不确定 与T有关 1、在讨论过程的方向问题时，我们指的是没有外界干扰时体系的性质。如果允许外界对体系施加某种作用，就可能出现相反的结果。 2、大量事实告诉我们，过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程一定会发生和过程发生的速率。 ∆H<0 ∆S>0 所有温度下 反应自发进行 ∆H>0 ∆S>0 高温下 反应自发进行 ∆H<0 ∆S<0 低温下 反应自发进行 ∆H<0 ，∆S<0 所有温度下 反应不能自发进行 拓展1：过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。例如：金刚石有向石墨转化的倾向，但是能否发生，什么时候发生，多快才能完成，就不是能量判据和熵判据能解决的问题了。再如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。 （2）粗硅的制备:SiO2(s)+2C(s)=Si(s)+2CO(g)。C的还原性是弱于Si的，此反应为什么能够发生呢？ 同样是因为熵增原理 （1）金属钾的制备：Na(l)+KCI(l)=K(g)+NaCI(l)。Na的活泼性是弱于K的，此反应为什么能够发生呢？ 拓展2：对几个特殊反应的再认识 主要是因为Na的沸点高于K的沸点。我们可以控制反应温度，使K沸腾为气体，Na保持液体。从而使反应熵值增大，即S>0,以利于反应自发。 4.下列说法正确的是∶（ ） 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。 C 5.下列说法不正确的是（ ） A.焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数的能自发进行的反应都是放热反应。 B.在同一条件下不同物质有不同的熵值，其体系的混乱程度越大，熵值越大。 C.一个反应能否自发进行取决于该反应放热还是吸热 D.一个反应能否自发进行，与焓变和熵变的共同影响有关 E.非自发反应在一定条件下能实现 C 汽车尾气中的主要污染物是CO和NO，它们是现代化城市中的大气污染物。为了减轻大气污染，人们提出通过以下反应来处理汽车尾气： 该反应在室温下能自发进行吗？ 2NO(g) + 2CO(g) = N2(g) + 2CO2(g) 城市中越来越多的汽车 根据计算，298K、101kPa下，△H=-746.8kJ·mol -1 ΔS＝-197.5J·mol－1·K－1 △G =ΔH-T ΔS =-746.8kJ·mol-1+298K×197.5×10-3 kJ·mol－1·K－1 =-687.945 kJ.mol-1<0 2KClO3(s)==2KCl(s)+3O2(g) △H (25℃)= -78.03 kJ·mol-1 △S(25℃)= +494.4 J·mol-1·K-1 CO(g)==C(s,石墨)+1/2O2(g) △H (298K)= +110.5 kJ·mol-1 △S (298K)= -89.36 J·mol-1·K-1 例：判断下列反应能否自发进行 解： △G=△H-T△S＝-78.03 kJ/mol-298K×0.4944 KJ/(mol·K) ＝-78.03 kJ/mol-147.33 KJ/mol ＝-225.36 kJ/mol ∵△G<0,∴能自发进行。 解： △G=△H-T△S＝+110.5 kJ/mol-298K×(-0.08936) KJ/(mol·K) ＝+110.5 kJ/mol+26.63 KJ/mol ＝+137.13 kJ/mol ∵△G>0,∴不能自发进行。 化学反应 进行的方向 反应焓变 反应熵变 复合判据 ∆ G = ∆ H – T ∆ S < 0 自发 课堂小结 温度 影响因素 焓减小有利于反应自发 熵增大有利于反应自发 $$