2.3 化学反应的方向 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选修一

科学判据：理论指引，少走弯路 汽车尾气带来严重的环境问题。为减少污染，人们创造性地设计新反应： 2NO+2CO=N2+2CO2 一个化学反应在给定的条件下（通常指温度和压强）能否自发进行？以及在什么条件下有可能按照我们预期的方向发生？ 这个“判据”是什么呢？ 化学反应的方向 预期方向 课题引入 §2.3 化学反应的方向 第二章 化学反应速率与化学平衡 自然界中有一些过程是自发进行的，而且是有方向性的。 一、自发过程与自发反应 1、自发过程： 在一定T、P下，不需要外力作用就能自动进行的过程。 2、非自发过程 ： 在一定T、P下，需要持续借助外力作用才能进行的过程。 外力作用一般指的是：光照、通电等；而加热、点燃、高温都是为了达到某一反应温度，属于一定温度范畴，不属于外力作用。 高处 低处 自发 非自发 独立自学 飞流直下：不借助外力 抽水上山：借助水泵，持续消耗电能 3 探究：同学们能举出生活中常见的自发过程还有哪些吗？他们之间有什么共同特征吗？ 经验分析：把墨汁加到水中，有什么现象？ 溶解、扩散 引导探究 扩散前 扩散后 有序 无序(混乱) 引导探究 生活中的类似现象 有序 无序(混乱) 结论： 没有外界干扰下，体系从有序→无序可以自发进行 引导探究 7 墨水扩散； 食盐溶解于水； 室温下，冰块自动融化； 电流总是从电势高的地方流向电势低的地方； 热量总是从温度高的地方传递到温度低的地方； 自然界中水总是从高处往低处流。 （1）高能量 低能量 对外做功或释放热量 （2）有序（混乱度小） 无序（混乱度大） 一、自发过程与自发反应 引导探究 7 【思考与讨论】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原因吗？ ① C3H8(g) +5O2(g) = 3CO2(g) + 4H2O(l) △H= -2217.5kJ/mol ② 2Na(s)+Cl2(g)=2NaCl(s) △H= -882kJ/mol ③ C(s)+ O2(g)=CO2 (g) △H = -393.5kJ/mol ④ H2 (g) +F2(g) = 2HF(g) △H = -546.6kJ/mol 【总结】 放热反应使体系能量降低， 能量越低越稳定， △H < O 有利于反应自发进行 △H＜0，放热反应。 即体系趋向于从高能状态转变为低能状态（稳定） 一、自发过程与自发反应 引导探究 实验发现，大多数放热反应是可以自发进行的。 8 二、焓判据（能量判据） 1、内容：体系趋向于从能量高的状态转变为能量低的状态， 因此反应放热有利于反应自发进行。 【思考与讨论】对以上反应中的 ③ C(s)+ O2(g)=CO2 (g) △H =-393.5kJ/mol ，即碳燃烧，有同学认为这个过程不能自发，因为需要点燃，你怎么看？ 小结：自然之法如此神奇，正是很多燃烧反应会遇到“活化能”的壁垒。才使得富含有机物的生命体在富含氧气的大气中没有“自燃”。 因为燃烧反应存在“障碍”——活化能，“点燃”的目的是克服反应的活化能，“启动”反应，使之发生。因为反应放出的热量|△H|>Ea。使得放出的热量足以克服后续反应的活化能，因此在反应引发后，不用持续加热，也能自发进行下去。 引导探究 【思考与讨论】为什么有些放热反应需要持续加热呢？ 例如：H2(g)+CuO(s)=Cu(s)+H2O(1) △H=-128.5KJ/mol 因为此反应所需活化能很大，而反应放出的热量太少，即|△H|<Ea。使得放出的热量难以克服后续反应的活化能，因此在反应发生后，需要从环境中不断吸收热量，才能够自发进行下去。 判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与反应是否发生，反应的快慢、反应的热效应无关。 二、焓判据（能量判据） 引导探究 2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8 H2O(s)=NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) ∆H ﹥0 【思考与讨论】在19世纪，一些化学家认为，决定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，而吸热反应不能自发进行。吸热反应都不能自发进行吗？ 该反应是吸热反应，但在常温下能自发进行 人们经过大量反应焓变的研究表明，大多数能自发进行的反应是放热反应。但是，有些吸热反应也能自发。因此，不能仅仅依靠焓变来判断反应是否自发。 【结论】反应放热有利于反应自发进行，反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一，但不是唯一的因素。 二、焓判据（能量判据） 引导探究 11 不需要外界的任何作用，气体通过分子的扩散，自发地混合均匀。 这些过程 共同特点： 混乱度小（有序） 混乱度大（无序） 自发的 三、熵判据（混乱度判据） 引导探究 实验还发现，自发过程进行的方向还与“混乱度”有关。 12 为了解释这样一类与能量状态的高低无关的过程的自发性，提出了在自然界还存在着另一种能够推动体系变化的因素：即在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序混乱的倾向。 那我们该如何度量这种混乱无序的程度呢？ 混乱度：表示体系的不规则或无序状态。 有序状态混乱度小，无序状态混乱度大。 熵S：热力学上描述体系的混乱度的函数。 熵值越大，体系混乱度越大。 克劳修斯 （德国） 三、熵判据（混乱度判据） 引导探究 1、熵（S）：用来衡量体系混乱（无序）程度的物理量，用S表示。 体系越混乱，熵值S越大，单位是J·mol-1·K-1。 （1）同一物质在不同状态下熵值不同，一般规律是：S(g)>S(l)>S(s); （2）与物质的量有关：物质的量n越大，分子数N越多，熵值S越大。 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 气 液 固 三、熵判据（混乱度判据） 引导探究 2、熵变：物质发生变化时，体系的熵的变化。用符号∆S表示。 ∆S=S(生成物)－S(反应物) ∆S＞0 熵增 ∆S＜0 熵减 我们生活中遇到的熵增过程: 3、熵判据： 在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这个原理叫做熵增原理。 该原理是用来判断过程方向的另一个因素，又称为熵判据。 引导探究 16 ①NH4NO3(s) = NH4+ (aq) ＋NO3- (aq) ② CaCO3(s) =CaO (s) +CO2 (g) ③N2O4(g)=2NO2(g) ④CuSO4·5H2O(s) = CuSO4(s) +5H2O(l) ⑤Ba(OH)2·8H2O(s)+2NH4Cl(s) = BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l)　 思考:下列过程均为吸热过程，且在一定条件下都能自发进行，这是为什么呢？ 不自由变自由(有序变无序) 固体变气体 气体少变成气体多 固体变液体 固体变液体和气体 1.下列过程中△S<0的是（ ） A.H2O(l)=H2O(g) B.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) C.N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) D.2H2O(g)=2H2(g)+O2(g) C 结论： 自发反应的方向与焓变、熵变有关，但焓变和熵变又不能单独作为判断反应自发进行方向的依据。则需综合考虑体系的焓变和熵变。 【思考与讨论】所以自发反应一定是熵增加的反应吗？ -10℃，水自发结冰 不是 可以改变自发反应进行的方向 温度 熵增是自发倾向的一个因素，但不是唯一因素。 ， △S< 0 三、熵判据（混乱度判据） 引导探究 但焓变和熵变又不能单独作为判断反应自发进行方向的依据 单独使用焓判据，或者熵判据往往会得出错误的结论 17 自发反应的方向 与 焓变 和 熵变 有关。 1、复合判据：自由能变化 ΔG＝ΔH－TΔS ，化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到达到平衡。 T绝对温度： 开尔文温度（K）国际单位制 =摄氏（℃）度 + 273. 0 美国物理化学家吉布斯 四、复合判据（自由能） 绝对零度达不到，更不可能为负！ 则：T 一定大于零 引导探究 判断标准 Δ G ＜ 0 反应能自发进行 Δ G ＞0 反应不能自发进行 Δ G ＝0 反应处于平衡状态 ΔG = ΔH﹣TΔS △G<0 △G>0 △H >0 △S ＜0 非自发 △G=0 △H ＜0 △S > 0 △H ＜0 △S＜ 0 △H >0 △S > 0 可逆反应到达平衡状态 低温可自发 自发 高温可自发 四、复合判据（自由能） 引导探究 19 化学反应的方向 焓变 熵变 综合判据 ∆H < 0 有利于反应自发进行, 但自发反应不一定要 ∆H < 0 很多自发的化学反应都是熵增的过程，即ΔS＞0;但有些 熵减的过程 也可自发进行，即ΔS＜0 ΔG = ΔH﹣TΔS 目标升华 1.已知在100 kPa、298.15 K时石灰石分解反应：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＝＋178.3 kJ·mol－1　，ΔS＝160.4 J·mol－1·K－1，则： (1)该反应________(填“能”或“不能”)自发进行； (2)据本题反应数据分析，温度________(填“能”或“否”)成为反应方向的决定因素； (3)若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度为________。 （1） ∆G= ΔH－TΔS ＝178.3 kJ·mol－1－298.15 K×160.4×10－3 kJ·mol－1·K－1 ＝130.5 kJ·mol－1>0 　能　 不能 1111.6 K 当堂诊学 $$