2.3 化学反应的方向 教学设计 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

第三节 化学反应的方向 课程：高中化学 教材：高中化学人教版选择性必修1 化学反应原理 章节：第三节 化学反应的方向 教材分析 本章内容在高中化学中起着承上启下的作用，学生在学完化学反应中的能量变化和物质状态变化后，进一步从能量（焓变）和混乱度（熵变）两个角度理解反应自发性的判断依据，为后续学习化学平衡和电化学奠定理论基础。教材通过列举多个具体反应如（）和（），先引导学生观察放热反应的普遍自发性，再引入吸热却自发的反例，打破单一判据的思维定势；接着通过气体扩散和硝酸铵溶解等直观现象引出熵的概念，用表示混乱度，并指出气态熵大于液态大于固态。教材还配有图2-10展示气体自发混合的过程，增强学生对熵增的感性认识。然而学生常在理解“为何吸热或熵减的反应也能自发”时遇到困难，容易误认为或是充分条件，忽视二者需综合判断。这种认知冲突正体现了从单一因素到多因素协同分析的思维进阶，培养了学生辩证看待化学规律的能力。 学情分析 学生已经在初中和高中化学中学习了化学反应中的能量变化，掌握了放热反应与吸热反应的概念，并能通过实验观察到反应的热效应，对焓变有初步认识。同时，在物理和化学课程中，学生接触过物质的三态变化及分子运动的无序性，具备一定的微观粒子运动观念。高中生的抽象思维和逻辑推理能力逐步成熟，能够理解熵作为状态函数描述体系混乱度的概念，并通过化学方程式判断的正负，如明显伴随气体生成，混乱度增加。但在将焓判据和熵判据结合判断反应自发性时，学生容易陷入单一因素决定论，误认为放热或熵增必然导致自发反应。教材中列举的反例，如但自发的与反应，或却能自发的乙烯聚合反应，会挑战原有认知，引发困惑。学生难以理解为何两个判据均不满足时反应仍可自发，其根本在于尚未建立“复合判据”的热力学思维，缺乏对自由能概念的整体把握，而这正是本节能力发展的关键所在。 教学目标 知识目标 1. 通过对教材示例的分析，解释不能仅用焓变或熵变判断化学反应方向的原因。 核心素养 1. 宏观辨识与微观探析：能从宏观现象（如气体混合、物质溶解等）认识到体系混乱度的变化，从微观角度（分子、离子的运动状态等）理解熵的概念及熵变与化学反应方向的关系。 2. 科学探究与创新意识：通过对教材中各类反应能否自发进行的探究，培养观察、分析实验现象及归纳总结的能力，尝试提出新的思考角度或疑问。 3. 科学态度与社会责任：认识到正确判断化学反应方向在工业生产等实践中的重要性，树立严谨的科学态度，明白化学知识对社会生产发展的责任。 重点难点 教学重点 1. 通过实例分析理解焓变对化学反应自发性的影响 2. 通过扩散和溶解现象认识熵增原理及其与自发过程的关系 3. 结合实例说明焓变和熵变需共同判断反应自发性 教学难点 1. 理解熵是描述系统混乱度的物理量及其微观含义 2. 辨析吸热反应也能自发进行的原因 3. 综合焓变和熵变判断反应自发性的条件与依据 课堂导入 【教师活动】 同学们，你们有没有注意过，冰块在室温下会自动融化，但融化的水却不会自动结成冰？还有，我们打开一瓶香水，香味会迅速弥漫整个房间，而这些香味分子却不会自己回到瓶子里？ 【教师活动】 这些现象背后，其实都藏着一个神秘的自然规律——它们都在“自发地”朝着某个方向变化。那么问题来了：是什么决定了一个过程或反应会朝哪个方向进行？是能量的变化，还是混乱程度的增加？ 【教师活动】 今天，就让我们一起走进化学反应方向的世界，去探索焓与熵的奥秘。 焓判据 探究新知 创设情境 在工业生产中，判断一个化学反应能否自发进行，对于优化工艺流程、提高生产效率至关重要。例如，在合成氨工业中，人们希望反应尽可能自发进行以减少能量输入。然而，有些反应虽然吸热，却也能自发进行，这与我们对放热反应才能自发进行的直觉相矛盾。因此，我们需要重新思考判断反应自发性的依据。 师生互动与教师引导过程 问题1 · 教师引导：教材中列举了多个放热反应和吸热反应都能自发进行的例子，你能否从中发现什么共同点或差异？ · 学生回答：放热反应大多数能自发进行，但吸热反应如硝酸铵溶解、碳酸氢钠与盐酸反应也能自发进行。 · 参考答案：放热反应通常能自发进行，但吸热反应在某些条件下也可以自发进行，说明反应自发性不仅与焓变有关。 · 教师点评并讲解：很好，这说明我们不能仅凭反应是放热还是吸热来判断其自发性。那我们还需要考虑哪些因素呢？ 问题2 · 教师引导：观察以下两个反应： 你能从反应物和生成物的状态变化中发现什么线索吗？ · 学生回答：第一个反应生成液态水，体系变得更有序；第二个反应生成气体，体系变得更无序。 · 参考答案：吸热反应若体系混乱度增加（如生成气体），也可能自发进行，说明熵变是影响反应自发性的另一个因素。 · 教师点评并讲解：非常棒！这说明除了焓变，熵变也会影响反应的自发性。那我们如何综合这两个因素来判断反应是否自发呢？ 问题3 · 教师引导：我们引入一个新的物理量——吉布斯自由能（ΔG = ΔH - TΔS），当ΔG < 0时反应自发进行。你能解释为什么吸热反应在高温下可能自发吗？ · 学生回答：因为高温下TΔS项可能大于ΔH，使ΔG为负。 · 参考答案：当ΔH > 0（吸热）但ΔS > 0（混乱度增加），在高温下TΔS项占主导，ΔG可能小于0，反应自发进行。 · 教师点评并讲解：理解得很透彻！这说明反应自发性是焓变和熵变共同作用的结果。接下来我们来看几个实际应用的例子。 问题4 · 教师引导：碳酸氢钠与盐酸反应是吸热的，但为什么在常温下就能自发进行？ · 学生回答：因为生成了气体CO₂，体系混乱度显著增加，ΔS > 0，使得ΔG < 0。 · 参考答案：该反应虽然吸热，但熵增显著，导致ΔG < 0，因此在常温下也能自发进行。 · 教师点评并讲解：分析得很到位！这也说明熵增在某些反应中起着决定性作用。那么我们来总结一下判断反应自发性的依据。 教师总结 1. 多数放热反应能自发进行，但吸热反应在特定条件下也能自发进行。 2. 反应自发性不仅与焓变有关，还与熵变密切相关。 3. 判断反应自发性的依据是吉布斯自由能变化（ΔG = ΔH - TΔS）。 4. 当ΔG < 0时反应自发进行，ΔG > 0时非自发，ΔG = 0时处于平衡状态。 设计意图 通过分析典型反应，引导学生从焓变和熵变两个角度理解反应自发性，建立吉布斯自由能的判断依据，培养科学思维和综合分析能力。 新知巩固 题目1 【题文】：二氟化氧与水反应的热化学方程式如下：，。已知中F显负价，下列关于该反应的说法正确的是（ ） A．该反应为置换反应 B．反应物总能量低于生成物总能量 C．正反应是熵增、焓减反应 D．1mol 完全反应时转移4mol电子 【解答】：为放热反应，焓减；气体分子数增加，熵增；F为-1价，O为+2价，反应中O从+2降至0，1mol 转移2mol电子；不是置换反应。选C。 题目2 【题文】：下列反应在常温下能自发进行，且既不是放热反应也不是熵增反应的是（ ） A．， B．， C．， D．， 【解答】：A为放热、熵减，常温自发，符合“焓减驱动”；B为吸热、熵增，高温自发；C吸热、熵增，高温自发；D放热、熵变小，常温自发。但只有A是放热且熵减但仍自发，说明非熵增也非吸热。选A。 【总结】：本题考查反应自发性的判断依据，涉及焓变、熵变与反应自发性的关系。解题要点是结合符号判断能量变化，分析气体分子数变化判断熵变趋势，理解自发反应由和共同决定，不能仅凭单一因素判断。掌握“焓减有利自发，熵增有利自发”，但二者相反时需综合判断。 熵判据 探究新知 创设情境 在工业生产中，许多化学反应需要判断其是否能自发进行。例如汽车尾气处理中，一氧化氮和一氧化碳能否在催化剂作用下自发转化为无害的氮气和二氧化碳？这不仅关系到反应的热效应，还涉及体系混乱度的变化。如图2-10所示，当玻璃片抽开后，氮气和氢气会自发混合，说明体系趋向更高的混乱度。那么，这种“混乱度”如何度量？它又如何影响反应的方向呢？ 师生互动与教师引导过程 问题1 · 教师引导：观察图2-10中气体混合的过程，抽掉玻璃片后气体为什么会自发混合？这说明体系趋向于什么方向？ · 学生回答：气体分子扩散，趋向更混乱的状态。 · 参考答案：气体自发混合是因为体系趋向于更高的混乱度，即熵增。 · 教师点评并讲解：很好！这种混乱度的变化可以用“熵”来衡量。接下来我们来看看熵的定义和它对反应方向的影响。 问题2 · 教师引导：什么是熵？它如何度量体系的混乱程度？不同状态的物质熵值有何差异？ · 学生回答：熵是衡量混乱度的物理量，气态物质熵最大，固态最小。 · 参考答案：熵（S）是体系混乱程度的度量，气态 > 液态 > 固态。 · 教师点评并讲解：正确。例如冰融化成水，熵值增加。那么，熵增是否意味着反应一定自发？ 问题3 · 教师引导：乙烯聚合为聚乙烯的过程是熵减的，但为什么还能自发进行？ · 学生回答：可能还有其他因素影响反应方向，比如能量变化。 · 参考答案：说明熵判据不是唯一判断依据，还需结合能量变化（焓变）综合判断。 · 教师点评并讲解：非常棒！这说明我们需要引入另一个判据——焓判据，才能全面判断反应是否自发。 问题4 · 教师引导：哪些体系可以仅用熵增来判断反应方向？为什么？ · 学生回答：孤立体系或绝热体系可以用熵增判断反应方向。 · 参考答案：只有在孤立体系或绝热体系中，自发过程才一定向熵增方向进行。 · 教师点评并讲解：总结得很好。这说明熵判据的适用范围是有限的，接下来我们将学习综合判断的依据。 教师总结 1. 熵是衡量体系混乱度的物理量，符号为S，气态物质熵最大，固态最小。 2. 体系有自发向熵增方向进行的倾向，但不是所有自发过程都熵增。 3. 只有在孤立或绝热体系中，才能仅用熵增判断反应方向。 4. 判断反应方向需综合考虑熵变和焓变。 设计意图 通过实验现象引导学生理解熵的概念及其对反应方向的影响，帮助学生建立熵判据的科学认知，并为后续学习焓判据和自由能判据打下基础。 新知巩固 题目1 【题文】：甲烷催化重整反应为，。下列说法正确的是 A．该反应的 B．使用催化剂可降低反应的焓变 C．平衡时升高温度，增大，减小 D．反应平衡常数 【解答】：反应气体分子数增加，混乱度增大，；催化剂不改变焓变；升温，正逆反应速率均增大；平衡常数表达式中应包含所有气体，缺。故选A。 【总结】：本题考查熵变判断、催化剂影响、温度对速率的影响及平衡常数表达式。解题要点是根据气体分子数变化判断，明确催化剂不影响焓变和平衡，升温使正逆速率均增大，平衡常数需包含所有气态物质浓度。 题目2 【题文】：下列反应在高温下能自发进行的是 A．， B．， C．， D．， 【解答】：高温自发需且。A和D符合，但A的，D也是（气体增多）。D在高温下因熵增驱动自发，A也可能自发。但D是典型高温分解反应，更符合题意。综合判断选D。 【总结】：本题考查反应自发性的判断，需结合焓变和熵变，依据分析。高温自发的反应通常为吸热且熵增。解题时先判断和符号，再根据温度影响确定自发方向，尤其关注气体分子数变化对熵变的影响。 复合判据 探究新知 创设情境 在工业生产中，化学反应的方向直接影响着生产效率和资源利用率。例如，合成氨反应 在常温常压下是否能自发进行？如果不能，我们又该如何选择合适的反应条件？这不仅关系到反应能否发生，更关系到工业成本和经济效益。因此，判断化学反应的自发方向是化学工作者必须掌握的重要能力。 师生互动与教师引导过程 问题1 · 教师引导：合成氨反应在常温下是否能自发进行？我们可以从哪些热力学因素来判断反应的自发性？ · 学生回答：可能回答“需要看反应是放热还是吸热”或“还要考虑体系的混乱度变化”。 · 参考答案：判断反应是否自发，需要综合考虑焓变（ΔH）和熵变（ΔS）。 · 教师点评并讲解：很好，焓变和熵变是判断反应自发性的两个关键因素。那是不是只要反应放热就能自发呢？我们来看几个例子。 问题2 · 教师引导：硝酸铵溶于水的过程是吸热的，但为什么还能自发进行？ · 学生回答：可能回答“因为溶解后体系的混乱度增加了”。 · 参考答案：该过程虽然吸热（ΔH > 0），但熵增显著（ΔS > 0），在一定温度下仍可自发进行。 · 教师点评并讲解：这说明熵变对反应自发性也有重要影响。那我们如何将焓变和熵变结合起来判断反应方向呢？ 问题3 · 教师引导：已知反应自发的判据是 ΔG = ΔH - TΔS < 0，当 ΔH < 0 且 ΔS > 0 时，反应在什么温度下都能自发吗？ · 学生回答：可能回答“是的，因为两项都对吉布斯自由能有利”。 · 参考答案：是的，此时 ΔG 一定小于零，反应在任何温度下都能自发进行。 · 教师点评并讲解：非常正确。那如果 ΔH 和 ΔS 的符号相反呢？我们该如何判断？ 问题4 · 教师引导：若某反应 ΔH > 0 且 ΔS < 0，它是否可能自发进行？ · 学生回答：可能回答“不可能，因为两项都不利于反应自发”。 · 参考答案：正确，此时 ΔG > 0，反应在任何温度下都不能自发进行。 · 教师点评并讲解：看来大家已经掌握了基本判断方法。接下来我们来看看这些原理在实际中的应用。 问题5 · 教师引导：碳酸钙分解反应 在常温下能否自发？为什么工业上需要高温？ · 学生回答：可能回答“因为该反应 ΔH > 0，ΔS > 0，需要高温使 TΔS > ΔH”。 · 参考答案：该反应在常温下 ΔG > 0，不能自发进行；高温下 TΔS 增大，使 ΔG < 0，反应自发。 · 教师点评并讲解：非常棒！这正是我们学习复合判据的意义所在，它帮助我们科学选择反应条件。 教师总结 1. 化学反应自发性的判断不能仅凭焓变或熵变单独判断。 2. 吉布斯自由能变 ΔG = ΔH - TΔS 是判断反应自发性的综合判据。 3. ΔG < 0 时反应自发，ΔG = 0 时处于平衡，ΔG > 0 时反应不自发。 4. 实际应用中需结合 ΔH 和 ΔS 的符号及温度选择合适的反应条件。 设计意图 通过工业实例创设真实问题情境，引导学生理解焓变与熵变的综合影响，掌握复合判据的判断方法，培养科学思维和实际应用能力。 新知巩固 题目1 【题文】：下列说法中不正确的是 A．活化分子之间发生的碰撞都是有效碰撞 B．使用催化剂，能增大活化分子百分数，加快反应速率 C．升高温度，使单位体积内活化分子数增多，因而反应速率加快 D．对于且一定条件下能自发进行的化学反应，其 【解答】：活化分子的碰撞需满足合适取向才是有效碰撞，A错误；催化剂提高活化分子百分数，B正确；升温增加活化分子数，C正确；吸热反应自发则必有，D正确。选A。 【总结】：本题考查化学反应速率与自发性的综合判断。解题要点是理解有效碰撞理论、催化剂和温度对反应速率的影响，以及焓变、熵变与自发性的关系。同类题需结合、及复合判据分析反应方向。 题目2 【题文】：已知某反应在高温下能自发进行，而在低温下不能自发进行，则该反应的和应满足 A．， B．， C．， D．， 【解答】：高温自发、低温非自发，说明在高温时小于0。当、时，高温下项起主导作用，，选B。 【总结】：本题考查利用焓变和熵变判断反应自发性的条件。解题关键在于掌握复合判据随温度的变化规律。同类题应分析和符号，结合温度对的影响，判断自发进行的温度范围。 课堂练习 第1题 【题文】恒容反应器中，和均能催化反应：(羟基乙醛)，反应历程如图所示，为中间体，为过渡态。 下列描述错误的是 A．“反应达平衡时，升高温度，羟基乙醛的浓度增大，且该反应在高温下能自发进行 B．催化作用下，“加氢”步骤为决速步骤 C．催化作用下，降低了反应的活化能，羟基乙醛的生成速率更大 D．插入”步骤，为-15.4kcal・mol-1 【答案】A 第2题 【题文】下列说法正确的是 A．在含20mL氯气和20mL饱和氯水的注射器中压缩注射器活塞，氯水颜色变深，说明增大压强，平衡Cl2(aq)+H2O⇌HCl+HClO逆移 B．[Cu(H2O)4]2+[蓝色]+4Cl-⇌ [ CuCl4]2-[黄色]+4H2O ΔH>0，对0.5mol/L氯化铜溶液加热，溶液由蓝色变为黄色 C．BaSO4(s)+(aq) ⇌BaCO3(s)+ (aq)，BaSO4能够转化为BaCO3，是因为BaCO3溶解度比BaSO4更小 D．Na+KClNaCl+K，反应熵增，使钠能够置换钾 【答案】B 第3题 【题文】下列有关说法正确的是 A．任何水溶液中都存在电离平衡 B．能水解的盐溶液一定不显中性 C．非自发反应在任何条件下都不能发生 D．只有熵增加的反应才能正向自发进行 【答案】A 板书设计 焓判据 ↔ 熵判据 → 复合判据 1. 焓判据（ΔH） · ΔH < 0 ↗ 自发倾向 · 但ΔH > 0 也可自发（如NH₄Cl与Ba(OH)₂） 2. 熵判据（ΔS） · ΔS > 0 ↗ 自发倾向 · 但ΔS < 0 也可自发（如乙烯→聚乙烯） 3. 复合判据 · ΔG = ΔH - TΔS < 0 → 自发反应 · 焓 ↓ + 熵 ↑ → 更易自发 教学反思 本节课围绕化学反应方向的判断展开，通过焓变、熵变及其复合判据的分析，引导学生理解反应自发性的多重影响因素，基本达成课程标准中“认识化学反应原理在判断反应方向中的应用”要求。成功之处在于通过典型实例对比，帮助学生突破“放热反应一定自发”“熵增决定反应方向”的认知误区，提升了科学思维能力。不足在于对焓判据与熵判据的适用条件讲解略显简略，部分学生对孤立体系与开放体系的判据差异理解不清，需后续通过具体案例进一步补充说明。 学科网（北京）股份有限公司 $