2.3 化学反应方向 课件 -2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

2.3 化学反应方向 年 级：高二 学 科：化学（人教版） 主讲人：lrp 学 校：四川省华蓥中学 1 【学习目标】 1、了解自发过程和化学反应的自发性，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，能利用能量判椐、熵判椐和复合判据对反应进行方向的判断。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 2 【资料】我国力争在2060年前实现“碳中和”，体现了中国对解决气候问题的大国担当. CO2 CH3OH ？ CO2(g) + 3H2(g) → CH3OH(g) + H2O(g) CO2(g) + 2H2O(g) → CH3OH(g) + 3/2 O2(g) 生产的可行性问题 生产的效率问题 生产的产率问题 首要问题 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 3 自然界中水总是自动从高处往低处流； 电流总是从自动电位高的地方向电位低的地方流动； 室温下冰块自动融化； 墨水自动扩散； 食盐自动溶解于水； 火柴棒自动散落等。 上述过程有何共同点？ 有明显的自发性 如何理解自发性了？ 思考 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 4 【探索新知】　　　我们在本章的开始就说到，研究一个化学反应需要从“化学热力学”(简称“热力学”)和“化学动力学”(简称“动力学”)两方面来研究。“动力学”研究的是化学反应的过程、反应速率等问题。“热力学”则研究的是反应的倾向性问题。如何判断一个反应能否发生﹖在什么条件下发生?是化学工作者关心和感兴趣的问题。在本节内容将介绍几个热力学函数来讨论一定条件下化学反应进行的方向。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 5 一、 自发过程 1、含义：在一定条件（温度和压强）下， 　　　　　　　　　　　　 就能自发进行的过程。如水从高处流向低处，热从高温物体传给低温物体，某些化学反应也是如此，如钢铁生锈、酸碱中和反应。 2、特征：①有　　　　 ，即反应的某个方向在一定条件下是自发的，而其逆方向在该条件下是肯定 　　　自发进行的。如水只能从高处流向低处，要使水从低处流向高处，必须外界对他做功。②自发过程有一定 　　　，例如水从高处流向低处,直到两处水位相同为止，化学反应的自发进行，是达到化学反应的限度即 　　　　 为止。 不需要外界（光，电能）帮助 方向性 不能 限度 达到平衡 【名师点拨】　　　判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢、反应的热效应无关。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 6 “自发”或“非自发”是绝对的吗？ 冬天水结冰 → 自 发 春天冰融化 → 自 发 “自发”是一定条件下的自发，条件变了可能由原来的“自发”变成“非自发”。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 “自发”一定能发生吗？“非自发”一定不能发生吗？ 处于高水位的水有向低处流动的趋势，但是被大坝拦截，该过程并没有实际发生，但是有发生的趋势。 “自发”只是有发生的趋势，并不代表 一定会发生，更不能确定发生的速率。 “非自发“也不代表不能发生。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 【课堂练习1】1、下列不属于自发进行的变化是(　　) A．红墨水加到清水中使整杯水变红 B．冰在室温下融化成水 C．水电解生成氢气和氧气 　D．铁器在潮湿的空气中生锈 2、知道了某过程有自发性之后，则(　　) A．可判断出过程的方向 B．可确定过程是否一定会发生 C．可预测过程发生完成的快慢 D．可判断过程的热效应 A C 解析：判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢、反应的热效应无关。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 9 3、下列关于自发过程的叙述中，正确的是(　　) A．只有不需要任何条件就能够自动进行的过程才是自发过程 B．需要加热才能进行的过程肯定不是自发过程 C．同一可逆反应的正、逆反应在不同条件下都有自发的可能 D．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程 C 解析：在一定条件下，不用借助外力即可自发进行的过程为自发过程，所以自发过程也是需要特定的条件，A、B项错误；可逆反应在不同的条件下，可以向不同方向自发进行，C项正确；改变条件，可以使非自发过程转变为自发过程，D项错误。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 10 二、化学反应的自发性与焓变人类积累的经验表明，许多自发进行的过程都有体系趋向于从 　　 状态转变为 低能 状态(体系对外部做功或者 　　 热量)的特点。 许多化学反应能够自发进行的根本原因也是因为反应向外界释放能量，当反应的ΔH 　 0时，反应有自发进行的倾向。用ΔH作为判断反应是否自发进行的判据，称为焓判据。 高能 释放 < 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 11 例如：①NaOH(aq)＋HCl(aq)=NaCl(aq)＋H2O(l)，酸碱中和反应是 　 热反应，ΔH 　 0，常温下能自发进行。 ②2Na(s)＋2H2O(l)=2NaOH(aq)＋H2(g)，该反应是 　 热反应，ΔH　 0，常温下能自发进行。③2H2+O2=H2O是放热反应，但常温下不能自发进行，点燃后可以自发进行。正是因为多数燃烧反应会遭遇“活化能”的能垒，才保护了自然界的生灵免遭“自燃”的灭顶之灾。 放 < 放 < 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 12 【课堂练习2】1、以下自发反应可用焓判据来解释的是(　　) A．硝酸铵自发溶于水 B．2N2O5(g)=4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋109.8 kJ·mol－1 C．(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)＋NH3(g)　ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1 D．2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1 2、下列过程的方向能用焓判据判断的是(　　) A．湿的衣服经过晾晒变干 B．硝酸铵溶于水 C．水蒸气凝结成水 D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＞0 Ｄ C 解析：焓判据能够说明放热反应为自发反应，而A、B、C三项中的自发过程均为吸热过程，显然不能单用焓判据来解释，只有D项可以用焓判据来解释。 解析：湿衣服晾晒变干是衣服中的水吸收能量变为水蒸气的过程，不能用焓判据判断；硝酸铵溶于水为熵增加的过程，不能用焓判据判断；水蒸气凝结为水放出热量，可用焓判据判断；CaCO3分解为吸热反应，不能用焓判据判断。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 13 　　　常温下能够发生的反应，一定是放热反应吗？是否吸热反应都需要加热才能发生呢？请同学们回忆在必修二我们做过的一个实验：NH4Cl与Ba(OH)2晶体的反应，是个典型的吸热反应，在常温下竟然十分流畅的发生了。就像置于一个平台的物体陡然飞向了高台，这是为什么呢？如何才可能实现呢？对于一个能量升高的反应，如果我们能够引入一个“大气球”也许会对反应的自发性产生影响，谁会是这个大气球呢？这需要引入一个新的物理量——熵。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 14 三、化学反应的自发性与熵变　　就像自然界许多自发行为都伴随着能量降低的特点一样，自然界许多自发行为也都有伴随着体系混乱度 　　 的倾向。 1、熵的概念　　　自发过程的体系趋向于由 　　转变为 　　　，体系的混乱度 　　　。体系的混乱度常用熵来描述，熵的概念是表示体系的不规则或无序状态程度的物理量，其符号为S。熵值越大，体系的 　　 越大。 增大 有序 无序 增大 混乱度 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 15 思考：什么因素驱动了吸热反应的自发进行？ 花香四溢、酒香扩散、食盐溶解于水有什么共同的特点？ 有序 混乱 混乱程度简称混乱度 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 从物质角度讨论，自发进行的方向是否与混乱度有关？ 气体扩散实验 在密闭条件下，体系有从有序自发地转变为无序的倾向。与有序体系相比，无序体系“更加稳定”，可以采取更多地存在方式。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 2、影响熵大小的因素①同一条件下，不同的物质熵值不同。②同一物质的熵与其聚集状态及外界条件有关，如对同一种物质不同状态时熵值大小为：S(g) 　S(l) 　 S(s)。由于同一种物质呈气态时熵值远远大于凝聚状态的熵值，化学反应中那个产生气体的过程对熵增加是有利的。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 　　 ，即熵变(符号ΔS)大于零，这个原理叫做 　　　。在用熵变来判断过程的方向时，就称为熵判据。①当ΔS>0时，反应为熵增反应，在一定条件下 　自发进行。②当ΔS<0时，反应为熵减反应，在一定条件下 　自发进行。 ≫ > 增加 熵增原理 能 不能 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 18 三、化学反应进行的方向与自由能变化的关系1、从焓变和熵变的角度对反应进行分类通过以上分析，我们已经意识到焓变和熵变是影响化学反应进行方向的两个重要因素，我们可以把焓变或熵变作为判断反应进行方向的依据。（1）焓判据：当反应的ΔH　　0时，反应 有正向自发的倾向。（2）熵判据：当反应的ΔS　　0时，反应有正向自发的倾向。 < > 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 19 　　反应①属于“焓变熵变皆有利”，因此此类反应在任何条件下均能自发进行；反应②属于“焓变熵变皆不利”，因此此类反应在任何条件下均不能自发进行；反应③和反应④二者均属于两个自发判据中“一项有利而另一项不利”，二者产生了矛盾，反应的自发性无法判断。 下表展示了4个有代表性的反应： 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 20 2、焓变与熵变的融合面对无法判断反应方向的反应，我们只有定量分析焓变和熵变的关系，才能最终确定反应自发的方向(1)体系的自由能变化(符号为ΔG，单位为kJ·mol－1)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于化学反应自发进行的方向的判断，ΔG＝ΔH－TΔS。(2)在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔG＝ΔH－TΔS<0的方向进行，直到达平衡状态。ΔH－TΔS<0　能自发进行 ΔH－TΔS＝0　达到平衡状态 ΔH－TΔS>0　不能自发进行 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 21 (3) 复合判据判断反应方向的有关规律 反应热 熵值 自由能变化 反应的自发性 ΔH＜0 ΔS>0 T任何大小，ΔG＜0 所有温度都自发进行 ΔH＜0 ΔS<0 T足够小时，ΔG＜0 低温下温度能自发进行 ΔH＞0 ΔS>0 T足够大时，ΔG＜0 高温下时能自发进行 ΔH＞0 ΔS<0 T任何大小，ΔG＞0 所有温度下都不能自发进行 特别提醒：反应的自发性只能判断方向性，反应能否实现，还要看具体的反应条件。 ΔG＝ΔH－TΔS ΔG＝ΔH－TΔS ΔG＜0，能自发进行 ΔG＝0，达平衡状态 ΔG＞0，不能自发进行 小结： 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 22 知识拓展：认识一个用于汽车尾气净化的反应　　本节开始的“联想.质疑”中提出了一个用于净化汽车尾气的反应2NO(g) + 2CO(g) =N2(g) + 2CO2(g)，根据计算，298K、100kPa下， 该反应的ΔH= -746.8Kj/mol ，ΔS =197.5 J . mol-1. K-1，ΔH－TΔS=－687.9 kJmol-1< 0。因此室温下反应能正向自发进行。但是，该反应需要使用催化剂来加速。通常使用贵金属作为催化剂，将其装入汽车尾气净化器中，并将净化器与汽车尾气排放管道连接在一起。利用这个装置，人们可以有效地将汽车尾气中的污染物NO(g)和CO（g）同时除去。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 23 【视野拓展】椎据“ΔH-TΔS判据”调控化学反应方向举例例1: 298K、100kPa下，反应CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) 的ΔH为+ 178.2 kJmol-1,△S为+ 169.6 J .mol-1. K-1。算得反应的ΔH－TΔS==128kJ. mol-1> 0,表明常温、常压下该反应正向不能自发进行。反应若要正向自发进行，需ΔH-TΔS <0。假设反应的ΔH和ΔS不随温度而变化，由178.2 kJ.mol-1-T x 169.6J. mol-1. K-1<0可算得T> 1050K，表明在常压下，1 050 K以上高温可以使反应正向自发进行，即改变温度T是改变反应方向的一种手段。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 24 例2: 298K、 100kPa 下，工业上用赤铁矿冶炼铁的反应:Fe2O3(s)＝Fe(s)+３/２O２(g)　 ΔH=+824.2 kJ.mol-1,△S= +275.0 J. mol-1. K-1，同例1方法可算得常压下，该反应正向自发进行的最低温度T为2997 K。若在赤铁矿中加入焦炭，焦炭与Fe2O3分解产生的O2反应生成CO2: C(s)+O２(g)＝CO2(g)则炼铁的总反应变为：Fe2O3(s)+３/２C(s)＝２Fe(s)+３/２CO2(g)其ΔH=+ 234.0 kJ.mol-1,△S=+ 279.35 J. mol-1. K-1。算得该反应正向自发进行的最低温度T为837.7K,表明加入焦炭大大降低了炼铁反应自发进行所需的最低温度。(这种通过加入新的物质，产生新的反应，使得在某条件下不能进行的反应通过新途径得以进行的方法，称为反应的耦合)需要指出的是，以上计算都假设了反应的△H、△S是常数，实际上它们的数值都随温度改, 变而变化，所以这种计算只是一种估算。另外，反应体系的压强也会影响反应的ΔH、△S的数值,从而可能改变反应的方向。例如，在常温、常压下，C(s, 石墨)= C(s，金刚石)的ΔH-TΔS=2.86kJ. mol-1>0,表明常温、常压下石墨是稳定单质，不可能自发变成金刚石。但是,若将反应体系压强增大到1.5x 109Pa以上，则上述过程的ΔH－TΔS变为小于零，从而使“点石成金”成为可能。通过以上举例我们还应该体会到，物质的自然属性是客观存在的，但我们掌握了物质变化的自然规律后就能够发挥我们的主观能动性来创造物质。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 25 【课堂练习3】1、某反应2AB(g)　　C(g)＋3D(g)在高温时能自发进行，其逆反应在低温时能自发进行，则该反应的正反应的ΔH、ΔS应为(　　) A．ΔH＜0、ΔS＞0 　　　 B．ΔH＜0、ΔS＜0 C．ΔH＞0、ΔS＞0 　　　D．ΔH＞0、ΔS＜0 C 解析：由ΔG＝ΔH－TΔS＜0能自发知，高温自发，低温不自发的为ΔH＞0、ΔS＞0。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 26 2、反应：CH3OH(l)＋NH3(g)＝CH3NH2(g)＋H2O(g)在某温度下自发向右进行，若反应的|ΔH|＝17 kJ·mol－1，|ΔH－TΔS|＝17 kJ·mol－1，则下列正确的是(　　) A．ΔH＞0，ΔH－TΔS<0 B．ΔH<0，ΔH－TΔS＞0 C．ΔH＞0，ΔH－TΔS＞0 D．ΔH<0，ΔH－TΔS<0 Ａ 解析：该反应在一定温度下能够自发的向右进行，这说明ΔH－TΔS一定小于0，根据方程式可知该反应的ΔS＞0，所以如果ΔH＜0，则该反应在任何温度下都是自发进行的，而该反应在一定温度下能够自发的向右进行，因此该反应的反应热ΔH＞0，故选A。 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 27 解析：反应能自发进行的前提条件是反应的ΔH－TΔS<0，温度的变化可能使ΔH－TΔS的符号发生变化。对于A项，ΔH>0，ΔS<0，在任何温度下，ΔH－TΔS>0，即任何温度下，反应都不能自发进行；对于B项，ΔH<0，ΔS<0，在较低温度下，ΔH－TΔS<0，即反应温度不能过高；对于C项，ΔH>0，ΔS>0，若使反应自发进行，即ΔH－TΔS<0，必须提高温度，即反应只有在较高温度时能自发进行；对于D项，ΔH<0，ΔS>0，在任何温度下，ΔH－TΔS<0，即在任何温度下反应均能自发进行。 Ｄ 【课后作业】 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 28 课堂检测 1.判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1) 放热反应一定能够自发进行( 　　) (2) 混乱度增大的反应一定能够自发进行( 　　) (3) ΔH＜0、ΔS＞0的反应一定能自发进行( 　　) (4) ΔH＞0、ΔS＜0的反应在温度合适时可以自发进行( 　　) (5) 综合考虑体系的焓变和熵变才能判断反应能否自发进行( 　　) × × × √ √ 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 29 ２.汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)是城市主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，其反应原理是2NO(g)＋2CO(g)=N2(g)＋2CO2(g)。由此可知，下列说法正确的是(　　) A．该反应是熵增大的反应 B．该反应不能自发进行，因此需要合适的催化剂 C．该反应常温下能自发进行，催化剂条件只是增大反应的速率 D．该反应常温下能自发进行，因为正反应是吸热反应 C 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 30 ３.下列对于化学反应方向说法正确的是(　　) A．反应3NO2(g)＋H2O(l)=2HNO3(aq)＋NO(g)在一定条件下能自发进行， 说明该反应的ΔH＞0 B．常温下反应2Na2SO3(s)＋O2(g)=2Na2SO4(s)能自发进行，则ΔH＜0 C．反应2Na2O2(s)＋2CO2(g)=2Na2CO3(s)＋O2(g)能自发进行， 则该反应的ΔH＞0 D．一定温度下，反应2NaCl(s)=2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH＜0 B 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 31 化 学 反 应 方 向 的 判 断 焓判据 放热过程中体系能量降低，ΔH＜0， 具有自发进行的倾向，但有些吸热反应也可以自发进行，故焓变只是影响反应反向的一种因素 熵判据 ①熵的大小：同种物质，熵值：气态>液态>固态 ②熵判据：体系的无序程度增加(即熵增)，ΔS＞0反应有自发进行的倾向，但有些熵减的过程也能自发进行，故熵变只是影响反应方向的一种因素 复合判据 ΔG＞0，反应不能自发进行 ΔG＝ΔH-TΔS ΔG＝0，反应达到平衡 ΔG＜0，反应能自发进行 课堂小结 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 32 高中化学选必1 高中化学高二上册 四川省华蓥中学lrp 第二章 化学反应速率和平衡 33 $