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

第三节化学反应进行的方向 选择性必修1 第二章化学反应速率与化学平衡 生活中越来越多的汽车 汽车尾气中的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳，它们是现代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： 2NO(g) + 2CO(g) == N2(g) + 2CO2(g) 【思考】该方案是否可行？需考虑哪些哪些因素？ 学生任务1：结合实例，思考什么是自发过程、非自发过程？什么自发反应、非自发反应？ 任务一、自发过程与非自发过程 飞流直下 冰雪消融 火柴燃烧 墨水扩散 水的电解 水总是自发地由高处往低处流 自然界中有许多自然而然发生的现象，请同学们联系生活知识，列举一些能自动发生的例子？ 生活中的自发过程 高山流水 电流 自发 高处 低处 自发 高电位 低电位 飞流直下：不借助外力 排水：借助水泵，持续消耗电能 高处 低处 自发 非自发 情景引入 在一定条件下，如果一个过程是自发的，那么它的逆过程通常是非自发的。 100°C的沸水 高温物体 低温物体 室温的凉水 自发 非自发 沸水可以自发变凉，但是这杯凉水是不可能自发变成沸水的。 一、自发过程与自发反应 7 自 由 落 体 运 动 自发过程与自发反应 自发过程：在一定条件下，无需持续外力作用就可以进行的过程。 墨水扩散 高山流水 热茶变凉 高处 低处 自发过程 非自发过程 思考1：非自发过程一定无法发生吗？ 思考2：自发过程不需要外力，就一定能发生吗？ 无需持续外力 需要持续外力 自然界中有许多现象是可以自发进行的，请结合自己的生活经验，举例说明自然界变化的方向性. 烟由低处向高处 固体溶解 油墨扩散 高山流水 自发过程：在一定的条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程称为自发过程 非自发过程：在一定条件下，需要持续外力作用，才能维持进行的过程。 一、自发过程与自发反应 自然界中有一些过程是自发进行的，而且是有方向性的。 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：不是指反应条件，而是对体系持续提供能量，一般指的是：光照、通电等；而加热、点燃、高温，属于一定温度范畴，不属于外力作用 高处 低处 自发 非自发 一、自发过程与自发反应 飞流直下：不借助外力 抽水上山：借助水泵，持续消耗电能 11 深入认识 氢气的 燃烧 水的电解 非自发过程： 必须外界持续做功，否则，过程就会停止，这样的过程叫做“非自发过程”。 一、自发过程与自发反应 在一定条件下，如果一个过程是自发的，那么它的逆过程通常是非自发的。 非自发 自发 2H2O=2H2+O2 1、自发过程：在一定条件下，不需借助外力就 能自动进行的过程 2、自发反应：在一定条件下，不需借助外力就 能自动进行的反应，称为自发反应。 【归纳小结】 外力：不是指反应条件，而是对体系持续提供能量。 例如：镁条燃烧、酸碱中和 如何判断一个过程，一个反应能否自发进行？ 一、自发过程与自发反应 与自然界中的许多变化一样，化学反应也具有方向性。 这些过程都是自发的，其逆过程就是非自发的. 3、自发反应： 在一定T、P下，不需要外力作用（光能，电能）就能自动进行的化学反应。 4、非自发反应 ： 在一定T、P下，需要持续借助外力作用（光能，电能）才能进行的化学反应。 自发 非自发 2H2+O2=2H2O 在一定条件下，如果一个过程是自发的，那么它的逆过程通常是非自发的。 一、自发过程与自发反应 盐酸与氢氧化钠能生成氯化钠和水。反过来，水和氯化钠能生成盐酸和氢氧化钠吗？ 14 3. 自发过程与非自发过程 “自发”只是有发生的趋势，并不代表实际发生，更不能确定发生的速率；“非自发”也不代表不能发生。 处于高水位的水有向低处流动的趋势，但是现在被大坝拦截，此过程并没有实际发生，但是有发生的趋势。 一、自发过程与自发反应 一、自发过程与自发反应 15 3. 自发过程与非自发过程 “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”。 冬天水结冰自发 春天冰融水自发 一、自发过程与自发反应 一、自发过程与自发反应 16 生活中的自发过程 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？ 能量由高到底 ①自然界中水总是从高处往低处流； ②电流总是从电位高的地方流向电位低的地方 ③室温下冰块自动融化； ④墨水扩散； ⑤食盐溶解于水； ⑥火柴棒散落等。 钾和水反应 锌和酸反应 铁生锈 从吸放热的角度分析，这些反应有什么共同特点？ 放热反应，能量由高到低！ 大多数放热反应是可以自发进行 自发过程的共同特点: 高能状态 低能状态 　　水总是自发地从高处往低处流——有趋向于最低能量状态的倾向。 凡是放热反应（△H＜0）都具有自发进行的倾向。 生成物的总能量低 反应物的总能量高 放热反应 1.焓判据： 二、判断化学反应方向的依据 高能状态 低能状态 【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） 1.焓判据： 实验发现，大多数放热反应是可以自发进行的。 21 只有放热反应才能自发进行吗？ 氢氧化钡晶体和氯化铵晶体反应吸收热量 思考交流： 局限性 木片和烧杯因结冰粘到一起 化学反应方程式： Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl==BaCl2+2NH3↑+10H2O 二、判断化学反应方向的依据 很多放热(△H＜0)反应有自发进行的倾向， 是不是吸热(△H﹥0)反应就不能自发进行呢？ 2N2O5(g) ＝4NO2(g)+O2(g) △H=+56.7kJ/mol (NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) △H=+74.9kJ/mol 如：Ba(OH)2·8H2O晶体与氯化铵反应、 硝酸铵溶于水、室温下冰块的融化等。 又如： 自发过程都能用焓变来解释吗？ 思考与交流 两种理想 气体的混合 （2）有些既不吸热也不放热的自发过程 （1）有些自发反应却是吸热的， 23 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，而吸热反应则不能自发进行。你同意这种观点吗？请举例说明。 （1）有些自发反应却是吸热的， （2）有些既不吸热也不放热的自发过程 结论： 1、△H < O有利于反应自发进行； 2、自发反应不一定非要△H < O； 3、焓变是判断反应能否自发进行的 一个因素，但不是唯一因素。 很多放热(△H＜0)反应有自发进行的倾向， 是不是吸热(△H﹥0)反应就不能自发进行呢？ 自发过程都能用焓变来解释吗？ 思考与交流 24 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，而吸热反应则不能自发进行。你同意这种观点吗？请举例说明。 固体的溶解 二、判断化学反应方向的依据 交流与讨论 固体NH4NO3, NaOH, NaCl都能溶于水, 它们的溶解过程与焓变有关吗? 什么因素决定它们的溶解过程能自发进行? 二、判断化学反应方向的依据 墨水滴入水中 气体的扩散 二、判断化学反应方向的依据 二、判断化学反应方向的依据 扩散前 扩散后 有序 无序(混乱) Cl- Na+ Cl- Cl- Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Na+ Na+ Cl- Cl- Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Na+ Cl- Cl- Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Na+ 气体的扩散 有序 无序（混乱） 自发过程的体系趋向于由有序转变为无序（趋向于更乱） 二、判断化学反应方向的依据 问题：什么因素驱动了吸热反应的自发进行呢？ 密闭条件下，体系有从有序自发的转变为无序的倾向 二、判断化学反应方向的依据 有 序 混 乱 二、判断化学反应方向的依据 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 2、熵判据（混乱度判据） 03 实验还发现，自发过程进行的方向还与“混乱度”有关。 34 密闭条件下，体系有从有序自发的转变为无序的倾向 思考：是什么因素驱动了吸热反应的自发进行呢？ 混乱度小（有序） 混乱度大（无序） 自发 二、判断化学反应方向的依据 任务三、化学反应的方向——熵判据 学生任务3：试分析下列过程中体系的混乱度有何变化？是自发过程还是非自发过程？ 显然，这些过程都是自发地从混乱度小(有序)向混乱度大(无序)的方向进行。 冰块融化 品红在水中扩散 蒸汽扩散 有序 混乱 ※火柴棒散落 由有序变为无序! 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 → 火柴散落有趋向于混乱度增大的倾向 熵 一副崭新的扑克牌被洗过后会怎样？ 马路上的红绿灯突然失灵，交通会怎样？ 如果没有法律的制约，世界会怎样？ 下课铃一响教室里会怎样？ 你能发现这些看似不相干的事件之间的联系吗？ 克劳修斯 （德国） 熵 S R. Clausius 克劳休斯 “熵”的概念的提出 1854年克劳修斯在表述热力学第二定律的过程中，引入一个新的概念 — “熵”。 凡是放热反应（△H＜0）都具有自发进行的倾向。 生成物的总能量低 反应物的总能量高 放热反应 一、判断化学反应方向的依据 1.焓判据： 2.熵、熵增原理、熵判据： （1）熵: 用来描述体系混乱(或无序)程度的物理量 即：体系混乱度越大，熵值越大； 体系混乱度越小，熵值越小。 ①定义： ②符号: ③单位: 二、判断化学反应方向的依据 S J•mol-1•K-1 熵值最大 熵值最小 【结论】同一物质的熵值：气态＞液态＞固态 ③溶解、扩散等 （2）、熵增情况： ①同一物质： S(固) ＜ S(液) ＜ S(气) 2N2O5(g)==4NO2(g)＋O2(g) Ba(OH)2·8H2O(s)+2NH4Cl(s)=BaCl2(s)+2NH3(g)+10H2O(l) ②气体体积增大的反应，△S>0,熵增加反应 2.熵、熵增原理、熵判据： 气 液 固 S(水) ：69.9 J·mol-1·K-1 S(冰) ：47.9 J·mol-1·K- S(水蒸气)：188.7 J·mol-1·K-1 ①同一物质的熵值：S(g)＞S(l)＞S(s)； ②同一条件下，不同物质的熵值不同； ③与物质的量有关：n越大，N越多，S越大。 熵变与反应方向的关系 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 定义：用来衡量体系混乱（无序）程度的物理量 符号：S 单位： J·mol-1·K-1 任务二 （1）熵 ： 熵 值 大 小 化学反应进行方向的判据--熵判据 用来度量体系混乱（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）同一物质在不同条件下熵值不同，一般规律： （2）与物质的量有关：物质的量n越大，分子数N越多， 气 液 固 熵(S): S(水) ：69.9 J·mol-1·K-1 S(冰) ：47.9 J·mol-1·K- S(水蒸气)：188.7 J·mol-1·K-1 S(g)>S(l)>S(s); S(高温)>S(低温) 熵值S越大。 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（无序）,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); S(高温)＞ S（低温）; S（低压）＞ S(高压) （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。 2、熵判据（混乱度判据） 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 03 2.熵、熵增原理、熵判据： （1）熵: （2）熵增原理： 即△S>0的过程有自发进行的倾向 （由有序→无序 ） 熵大小的规律： ①同一物质的熵值：气态＞液态＞固态 ②气体体积增大的反应，△S>0,熵增加反应 ③气体体积减小的反应，△S<0,熵减小反应 二、判断化学反应方向的依据 一、判断化学反应方向的依据 2.熵、熵增原理、熵判据： （1）熵: （2）熵增原理： 在与外界隔离的体系中，扩散(自发) 过程将导致体系的熵____，即熵变△S>0 增大 △S= S生成物－ S反应物 即△S>0的过程有自发进行的倾向 （由有序→无序 ） 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 由“有序”变为“无序” 判一判 △S<0 49 △S>0的反应有利于自发进行 自发反应一定向着熵增大的方向进行吗？ 熵减小的方向是不是就不能自发进行吗？ NH3 (g) + HCl(g)= NH4Cl(s) Ag+(aq)+Cl-(aq)=AgCl(s) 思考与交流 -10℃的液态水能自动结冰成为固态 结论： 1、熵增△S>0 有利于反应自发进行； 2、自发反应不一定非要熵增△S>0 ； 3、熵增是判断反应能否自发进行的一个因素， 但不是唯一因素。 熵减 50 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，而吸热反应则不能自发进行。你同意这种观点吗？请举例说明。 化学反应方向的熵判据 请说说下列吸热反应能够自发进行的原因。 ①2N2O5 (g)=4NO2(g)+O2(g) ∆H= +56.7kJ/mol ②(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) ∆H=+74.9kJ/mol △S＞0 △S＞0 熵判据：熵增加（△S＞0），体系混乱度增加， 具有自发进行的倾向。 CO2(g) +Ca(OH)2 (aq) = CaCO3(s) + H2O (l) 4Na (s)+ O2 (g)= 2Na2O(s) 判断下列两个反应是否自发反应？熵增还是熵减？ △S＜0 △S＜0 熵判据也不能适用于所有的反应 复合判据：综合考虑焓变和熵变 52 2. 2CO(g) = 2C(s) + O2(g) 1 . Mg(s) + 2HCl(aq) = MgCl2(aq) + H2(g) △H ＜0 △S >0 综合H与S，判断反应能否自发进行 一定能自发 △H >0 △S ＜0 一定不能自发 △H ＜0 △S ＜0 △H >0 △S >0 低温能自发 较高温能自发 3. NH3(g) + HCl(g) = NH4Cl(s) 4. NH4Cl(s) ＝ NH3(g) + HCl(g) △G = △H - T△S △G = △H - T△S ＜ 0 △G = △H - T△S ＞0 △G = △H - T△S ＝0 （ G ~吉布斯自由能） J．W．Gibbs 吉布斯 3. 复合判据（自由能变化）： 在一定温度、压力下，化学反应的方向是熵变和焓变共同影响的结果 反应能自发进行 反应不能自发进行 反应达到平衡状态 二、判断化学反应方向的依据 3、复合判据 (吉布斯自由能判据) (1)定义：自由能ΔG = ΔH－TΔS。(单位为kJ/mol) (2)判断标准： ①当ΔG < 0时，反应能自发进行； ②当ΔG = 0时，反应处于平衡状态； ③当ΔG > 0时，反应不能自发进行。 注：T为热力学温度，单位K； T = t + 273.15；(t为摄氏度，单位℃)， T 一定大于零 美国物理化学家吉布斯 研究表明：在等温、等压条件下，化学反应总是向着自由能 减小ΔG＜0的方向进行，直到达到平衡。 若正方向为自发过程，则逆方向为非自发过程 情况 焓变 熵变 自由能变化 反应能否自发进行 ① ΔH＜0 ΔS＞0 ② ΔH＞0 ΔS＜0 ③ ΔH＜0 ΔS＜0 ④ ΔH＞0 ΔS＞0 ΔG = ΔH - TΔS (3)反应进行方向与温度的关系 ΔG＜0 能 ΔG＞0 不能 低温ΔG＞0，高温ΔG＜0 低温自发，高温不自发 低温不自发，高温自发 低温ΔG＜0，高温ΔG＞0 3、复合判据 (吉布斯自由能判据) 口诀：“小小低温，大大高温” ②当 G＞ 0时， 反应不能自发进行 ①当G ＜ 0 ， 反应自发进行 △H △S ∆H<0 ∆S>0 所有温度下 反应自发进行 所有温度下 反应不能自发进行 ∆H>0 ∆S<0 ∆H<0 ∆S<0 低温下 反应自发进行 高温下 反应自发进行 ∆H>0 ∆S>0 △G = △H −T △S 3、复合判据 (吉布斯自由能判据) “小小低温” “大大高温” 3、复合判据 (吉布斯自由能判据) (1)定义：在等温、等压条件下的封闭体系中， 自由能的变化ΔG = ΔH－TΔS。(单位为kJ/mol) (2)判断标准： ①当ΔG < 0时，反应能自发进行； ②当ΔG = 0时，反应处于平衡状态； ③当ΔG > 0时，反应不能自发进行。 焓变 熵变 反应能否自发进行 ΔH＜0 ΔS＞0 ΔH＞0 ΔS＜0 ΔH＜0 ΔS＜0 ΔH＞0 ΔS＞0 任何温度都能自发进行 任何温度都不能自发进行 低温下能自发进行 高温下能自发进行 huaxuefanyingjinxingdefangxiang 化学反应进行的方向 2NO(g)+2CO(g) = N2(g)+ 2CO2(g) 街头一景 【拓展练习】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 已知：298K、101kPa下，△H= -746.8kJ·mol -1 ΔS＝ -197.5J·mol－1·K－1 △G = ΔH - TΔS = -746.8kJ·mol-1 + 298K×197.5×10-3 kJ·mol－1·K－1 = - 687.945 kJ.mol-1 <0 3、复合判据（ ΔG= ΔH－TΔS ） 2NO(g) + 2CO(g) = N2(g) + 2CO2(g)， 如果该反应速率极慢，如何加快反应速率？ 请说明上述反应在什么条件下，可以自发进行？ 思考： 已知， 298K、101KPa下反应 △H = - 113.0 KJ·mol-1 ， △S = - 143.5 J·mol-1·K-1 汽车尾气中含有NO、CO等有害气体怎样将它们转化为可参与大气循环的气体？ T< 787K t<514℃ ∆H-T∆S 这个判据指出的是在T、P一定的条件下反应自动发生的趋势，即反应发生的可能性，并不能说明反应能否实际发生和反应发生的速率！ 限度和速率！ 63 视野拓展 熵与宇宙：宇宙，它的过去应该是能量温度极高，有极度规律的质点，不断膨胀，演变成现在的宇宙 -— 霍金《时间简史》 熵与生命：生命体通过新陈代谢摄入蛋白质等低熵物质，产生小分子的过程表现为熵增，当熵接近极大值时就达到危险状态即死亡 —— 《生命是什么》 熵与环境： 污染就是熵增的同义词，低碳就是低熵。 熵与信息：熵是量度我们对一个领域未知程度的量。 从“熵”的角度看世界 薛定谔所著《生命是什么？》 “热力学第二定律是一个最深刻、最普遍的定律。它有着自身忧郁的美，象所有重要定律一样，引起人们的崇敬之情。” — 英国作家C.P.Snow 正如“能”的观点被人们普遍接受一样，“熵”的观点也越来越多地被人们用来解释物理、化学、生命、信息、生活中的诸多行为与现象。 阅读下列几段话，体会“熵与环境”、 “熵与生命”的关系。 huaxuefanyingjinxingdefangxiang 熵增就是污染 （有害气体排放） （垃圾随意丢弃） …… 熵与环境 衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，当熵值达极大值时即死亡，这是一个不可抗拒的自然规律。 熵与生命 1. 250C和1.01×105Pa时，反应 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g) △H=＋ 56.76kJ/mol 自发进行的原因是（ ） A、是吸热反应； B、是放热反应； C、是熵减少的反应； D、熵增大效应大于能量效应。 D 选项 化学方程式 已知条件 预测 A M(s)= X(g)＋Y(s) ΔH＞0 它是非自发反应 B 4M(s)＋N(g)＋2W(l)= 4Q(s) 常温下， 自发进行 ΔH＞0 C 4X(g)＋5Y(g)= 4W(g)＋6G(g) 能自发反应 ΔH可能大于0 D W(s)＋G(g)= 2Q(g) ΔH＜0 任何温度 不能自发进行 2. 下列对化学反应预测正确的是（　 　） C 3. 下列反应在任何温度下均能自发进行的是( ) A.2N2(g)＋O2(g)===2N2O(g)　ΔH＝＋163 kJ·mol－1 B. Ag(s)＋ Cl2(g)===AgCl(s)　ΔH＝－127 kJ·mol－1 C.HgO(s)===Hg(l)＋ O2(g)　ΔH＝＋91 kJ·mol－1 D.H2O2(l)=== O2(g)＋H2O(l)　ΔH＝－98 kJ·mol－1 D $