資源簡介

(共17張PPT)
【情境導入】
汽車尾氣中的主要污染物是NO以及燃料不完全燃燒所產生的CO，它們是現代城市中的大氣污染物。為了減輕大氣污染，人們提出通過以下反應來處理汽車尾氣：
2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)
你能否判斷這一方案是否可行？理論依據是什么？
需要考慮：
（1）該反應能否進行？(即該反應能不能朝N2(g)+2CO2(g)的方向自發進行？)
（2）該反應是否能及時(反應速率快)、更多(反應限度大)降低尾氣中NO和CO的量？
第二章　化學反應速率與化學平衡
§1.2-3 化學反應方向
授課人：邱日兵
【課前引入】
飛流直下：不借助外力
抽水上山：
借助水泵，持續消耗電能
生活中的自發過程
高處(高勢能)
低處(低勢能)
自發
非自發
自然界中有一些過程是自發進行的，而且是有方向性的。
100℃的沸水
<100℃的溫水
一段時間后熱量傳遞給周圍空氣
=室溫的涼水
最終
高能
低能
自發
非自發
【課前引入】
自然界中有一些過程是自發進行的，而且是有方向性的。
生活中的自發過程
春天冰融水
冬天水結冰
鋼鐵生銹
自發過程不一定很快；自發過程是有條件的。
處于高水位的水有向低處流動的趨勢，自發過程并沒有實際發生，但是有發生的趨勢。
自發過程不一定能發生，可以是一種自發的趨勢。
【知識精講】
1．自發過程：
在一定條件(T、P)下，不需要外力作用就能自動進行的過程。
外力作用一般指的是：光照、通電等；而加熱、點燃、高溫都是為了達到某一反應溫度，屬于一定溫度范疇，不屬于外力作用。
2．自發反應：
在一定條件（T、P）下，不需要外力作用（光能，電能等）就能自動進行的化學反應。
與自然界中的許多變化一樣，化學反應也具是自發性和方向性。
鐵生銹
天然氣燃燒
鐵和硫酸銅反應
如何判斷化學反應自發進行的方向呢？？？
【思考與討論】
下列反應在一定條件下都能自發進行，你知道這些反應能自發進行的原因嗎？
①H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l)
②Zn(s) +CuSO4(aq)=ZnSO4 (aq)+Cu(s)
③Na(s)+H2O(l)=NaOH(aq)+1/2H2(g)
④鐵生銹：2Fe(s)+3/2O2(g)= Fe2O3(s)
⑤NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l)
H= -286kJ/mol
H= -184kJ/mol
H= -824kJ/mol
H= -57.3kJ/mol
H= -216.8kJ/mol
這些反應都有什么共同點？
很多常見自發的化學反應都是由能量高的物質生成能量低的物質！
放熱反應
【知識精講】
3．焓判據（能量判據）
內容：
體系趨向于從能量高的狀態轉變為能量低的狀態，因此反應放熱有利于反應自發進行。
很多自發的化學反應都是焓減的過程，即ΔH＜0
放熱
反應物
生成物
焓
反應過程
△H＜0
【驅動性問題】
自發進行的反應總是放熱反應嗎？？？
【知識精講】
Ea很小，常溫即能自發。
Ea稍大，但Ea＜△H，給予外界條件一經引發后即能自發。
Ea稍大，且Ea＞△H，需持續給予外界條件才能自發。
反應物
Ea
△H
生成物
反應進程
能量
反應物
Ea
△H
生成物
反應進程
能量
反應物
Ea
△H
生成物
反應進程
能量
0
小結：自然之法如此神奇，正是很多燃燒反應會遇到“活化能”的壁壘。才使得富含有機物的生命體在富含氧氣的大氣中沒有“自燃”。
有氣體生成(氣體數增多)，
即體系混亂程度增大。
【思考與討論】
2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8 H2O(s)=NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) H ﹥0
在19世紀，一些化學家認為，決定反應能否自發進行的因素是反應熱，放熱反應可以自發進行，而吸熱反應不能自發進行。吸熱反應都不能自發進行嗎？
這些反應是吸熱反應，但在常溫下能自發進行。
【結論】焓減(放熱)有利于反應自發進行，但不是唯一的因素。
2N2O5(g)=4NO2(g)+O2 (g) △H=+109.8kJ/mol
NaHCO3(s)+HCl(aq)=NaCl(aq)+CO2(g)+ H2O(l) △H=+31.4kJ/mol
(NH4) 2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g) △H>0
不能只根據反應熱(放熱或吸熱)來判斷化學反應自發進行的方向。
還有什么因素決定化學反應自發進行的方向呢？？？
這些反應都有什么共同點？
生活中的自發過程
【問題過渡】
不需要外界的任何作用，氣體通過分子的擴散，自發地混合均勻。
有序
無序
自發
非自發
混亂度低
混亂度高
冰融化
花香四溢
墨水擴散
火柴掉地
硝酸銨晶體溶于水吸熱
新買的牌洗牌前后、學生上下課狀態。
很多常見自發過程都是由有序(混亂度低)變成無序(混亂度高)的狀態！
【知識精講】
（1）熵：描述體系混亂度的物理量。符號：S。
△S=S生成物總熵－S反應物總熵
4．熵判據（混亂度判據）
體系混亂度越大，熵值越大；體系混亂度越小，熵值越小。
（2）同種物質的熵值與其存在狀態有關：
S(g) ____ S(l) ____ S(s)
＞
＞
固態
液態
氣態
熵增
熵增
（3）內容：
體系趨向于從有序(混亂度低)轉變成無序(混亂度高)的狀態，
因此熵增(混亂度增大)有利于自發進行。
很多自發的化學反應都是熵增的過程，即ΔS＞0。
Zn(s) + H2SO4(aq) = ZnSO4(aq) + H2 (g)
2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2 (g)
例如：
【P45 Ex2、3】
判斷下列反應熵變大小
① N2 + 3H2 = 2NH3
② 2C + O2 = 2CO
③ CaCO3 = CaO + CO2
△S＜0
△S＞0
△S＞0
【方法】化學反應中，生成氣體越多混亂度越大(熵增)，即△S＞0。
【對點練習】
【思考與討論】
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+H2O(l) ＝ 4Fe(OH)3(s)
2NO(g)+2CO(g) == N2(g)+2CO2(g)
CaO(s)+CO2(g) == CaCO3(s)
CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)
CaCO3(s) == CaO(s)+CO2(g)
下列反應中，體系的熵將發生怎樣的變化？
熵增的反應都能自發進行嗎？熵減的反應都不能自發進行嗎？
△S＜0
△S＞0
△S＜0
△S＜0
△S＞0
能自發
能自發
能自發
不能自發(室溫下)
能自發(加熱后)
有些熵減(ΔS＜0)的過程也可自發進行。
【結論】
熵增(ΔS＜0)有利于反應自發進行，但不是唯一的因素。
不能只根據熵增來判斷化學反應自發進行的方向。
化學反應自發進行的方向與反應溫度有關。
到底如何判斷化學反應自發進行的方向呢？
【知識精講】
5．綜合判據：自由能(G)與化學反應的方向(P45”資料卡片”)
美國物理化學家
吉布斯
1876年，吉布斯（美）提出自由能變化 ΔG，并認為化學反應總是向著自由能減小（ ΔG < 0）的方向進行，直至達到平衡。
（1）自由能變化(符號：ΔG)
(單位：kJ·mol－1)
公式：△G = △H - T△S
①當ΔG＜0時，反應能自發進行；
②當ΔG＝0時，反應處于平衡狀態；
③當ΔG＞0時，反應不能自發進行。
（2）反應進行方向的判斷方法
△H
△S
H>0
S>0
高溫下
反應自發進行
H>0
S<0
所有溫度下反應
都不能自發進行
H<0
S>0
所有溫度下
反應自發進行
H<0
S<0
低溫下
反應自發進行
【課堂小結】
1.車尾氣中的主要污染物是NO以及CO，它們是現代城市中的大氣污染物。治理汽車尾氣原理：2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)。已知室溫(298K、101KPa)下，反應中的ΔH = -746.8 KJ·mol-1，ΔS = -197.5 J·mol-1·K-1。判斷這一方案是否可行？
【對點練習】
根據ΔG = ΔH – TΔS
= (-746.8KJ·mol-1) - 298K×(-197.5J·mol-1·K-1)×10-3
= - 687.945KJ·mol-1
<0
在室溫下，該反應能夠自發進行。
但事實上反應的速率很慢！
加入
催化劑
2.以下判斷正確的是（ ）
A．C(s)+CO2(g)=2CO(g) △H＞0，該反應常溫下不能自發
B．2Mg(s)+O2(g)=2MgO(s) △H＜0，該反應高溫才能自發
C．自發反應的熵一定增大，非自發反應的熵一定減小
D．放熱反應都可以自發進行，而吸熱反應不能自發進行
A
3.下列關于判斷過程的方向的說法正確的是（ ）
A．所有自發進行的化學反應都是放熱反應
B．自發反應在任何條件下都能發生
C．由焓判據和熵判據組合而成的復合判據，更適合于所有的過程
D．同一物質的固，液、氣三種狀態的熵值相同
C
4.對于化學反應能否自發進行，下列說法中錯誤的是（ ）
A．非自發過程在一定條件下可能變成自發過程
B．若△H>0，△S＜0，任何溫度下都不能自發進行
C．若△H＜0，△S>0，任何溫度下都能自發進行
D．需要加熱才能夠進行的過程肯定不是自發過程
D
5.已知“凡氣體分子總數增大的反應一定是熵增加的反應”。下列反應一定能自發進行的是（ ）
A．2O3(g)=3O2(g) H<0 B．2CO(g)=2C(s)+O2 (g) H>0
C．N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) H<0 D．CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g) H>0
A選擇性必修一 §1－2.3 《化學反應進行的方向》教案
科 目 化學 高二 年 級 備課時間 2022年12月7日
課 題 《化學反應進行的方向》 授課時間 2022年12月9日
備課組 化學科組 主備人 邱日兵
課標要求 知道化學反應是有方向的，知道化學反應的方向與反應的熵變和焓變有關，要求學生能用焓變和熵變說明化學進行的方向，對自由能知識沒有相關要求。
教材分析 在學生學習了化學反應及其能量變化、化學反應速率、化學反應的限度之后，教材安排了化學反應進行的方向的內容。教材回避了焓判據、熵判據的理論推導，利用日常生活中的見聞有道學生得出：根據反應的焓變和熵變的大小，只能判斷反應自發進行的可能性，不能確定反應是否一定發生。通過上述只是的介紹，使學生體會事物的發展、變化常常受多種因素的制約，要全面分析問題。
學情分析 從學生的知識基礎考慮，回避焓判據、熵判據的理論推導。首先，學生熟悉自發進行的放熱反應；以生活現象為例，說明混亂度增加也是化學反應自發進行的傾向。其次，用實例說明單獨運用這兩種判據都是不全面的，需要考慮復合判據，在這個過程中培養學生勇于探索未知的精神。
教學目標 1.通過直觀體驗認識自然界中的自發過程，了解自發過程的含義，知道化學反應存在方向問題； 2.了解熵的含義，會判斷化學反應前后熵的變化； 3.初步了解焓變和熵變對化學反應方向的影響，建構起判斷反應方向的模型； 4.了解化學反應方向的研究歷程，培養嚴謹求實、崇尚真理、勇于探索未知的意識。
教學 重難點 焓減和熵增與化學反應方向的關系。
課時設計 1課時
教學過程
教師活動 學生活動 效果期待
教師講授20分鐘 教師講授20分鐘 師生討論 和總結10分鐘 師生總結 【情境導入】 1.汽車尾氣中的主要污染物是一氧化氮以及燃料不完全燃燒所產生的一氧化碳，它們是現代城市中的大氣污染物，為了減輕大氣污染，人們提出通過以下反應來處理汽車尾氣： 2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)，你能否判斷這一方案是否可行？理論依據是什么？ 2.石墨和金剛石都是碳單質，C(石墨)=C(金剛石)這個反應能否實現？ 反應進行的方向、快慢和限度是化學反應原理的三個重要組成部分。通過前三節的學習和討論，我們已經初步解決了后兩個問題，即反應的快慢和限度問題，這節課我們來討論反應的方向的問題。 生活中常見的自發過程都有哪些？ 【圖片】高山流水、沸水放置一段時間后、成熟果實會從樹上往下掉落 分析自然界中水總是自發從高處流向低處、熱總是自發從高溫物體傳到低溫物體。 【舉例】常見的自發的化學反應： 2H2(g)+O2(g)=2H2O(l ) △H=－571.6kJ/mol 2Na(s)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+H2↑ △H=－368 kJ/mol Zn(s)+CuSO4(aq)=ZnSO4(aq)+Cu △H=－216.8 kJ/mol NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) H= -57.3kJ/mol 鐵生銹：6Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s) △H=-824 kJ/mol 很多常見自發的化學反應都是由能量高的物質生成能量低的物質，這些過程有什么共同點？ 焓判據：ΔH＜0，即放熱的化學反應能自發 【驅動性問題】自發進行的反應總是放熱反應嗎？ 【規律探索】吸熱的化學反應為什么能自發？觀察以上反應的共同點 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g) △H=+109.8 kJ/mol NaHCO3(s)+HCl(aq)=NaCl(aq)+CO2(g)+H2O(l) △H=+31.4kJ/mol 2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)＝2NH3(g)＋BaCl2(s)＋10H2O(l) △H>0 (NH4) 2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g) △H>0 結論：焓判據不全面 【舉例】氯氣和氫氣的混合、硝酸銨固體溶于水、新買的牌洗牌后、學生上下課狀態、香水擴散等等。這類自發過程趨向于有序變得無序的傾向。 國際上規定使用熵(S)來描述體系的混亂度；混亂度越大，熵值越大；混亂度增大，叫熵增即△S>0。 【提問】一定溫度和壓強下，判斷上述反應的體系混亂程度如何變化？ 2.熵判據：ΔS＞0，即熵增的化學反應能自發 【驅動性問題】自發進行的反應總是熵增的嗎？ 4Fe(OH)2(s)+O2(g)+H2O(l)＝4Fe(OH)3(s) △S<0但自發 2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g) △S<0 但自發 CaCO3(s) = CaO(s)+CO2(g) △S>0 但室溫下不能自發 結論：焓判據和熵判據都不全面。 【驅動性問題】若焓判據和熵判據相沖突，如何判斷反應是否自發？判斷這下列反應是否能自發？分析原因。 CaO(s)+CO2(g) = CaCO3(s) 能自發 CaCO3(s) = CaO(s)+CO2(g) 不能自發 CaCO3(s) = CaO(s)+CO2(g) 能自發 3.綜合判據：吉布斯自由能 ΔG = ΔH – TΔS ΔG＜0，反應能自發； ΔG＞0，反應不能自發； ΔG=0，反應達到平衡狀態。 結合坐標系，分析ΔH、ΔS、T不同的情況下，反應是否能自發。 需要考慮：該反應能否進行？該反應速率有多快，是否能及時降低尾氣中NO和CO的量？ 學生總結： 1.自然界中有一些過程是自發進行的，而且是有方向性的。 2.自發過程： 3.自發反應： 對于化學反應，放熱反應(焓減小的反應)容易自發進行。 不是。舉例 4.焓判據：ΔH＜0，放熱的化學反應傾向于自發 都是氣體分子數增多 S(g)＞S(l)＞S(s) 以上反應都是熵增大的反應，都是自發反應 不是。舉例 5.熵判據：△S>0，熵增大的反應傾向于自發 化學反應能否自發還與溫度有關。 6.綜合判據： ΔG =ΔH – TΔS 以真實的問題情景，激發學生內在的學習興趣和學習動機，為高效學習奠定基礎。 通過分析學生列舉的是否是自發變化，一方面加深學生對自發反應的認識，另一方面為接下來分析影響反應自發進行的因素提供素材。引導學生“自發反應具有趨向體系能量降低的傾向” 引導學生認識到體系具有由有序變得無序的共性，歸納出“自發反應具有趨向混亂度最大的傾向”。 焓判據和熵判據判斷相反的情況，引導學生認識到兩個判據不一致的反應是可能自發進行的，關鍵在于溫度的高低，建構焓變和熵變共同決定化學反應方向的觀點。 使學生體會事物的發展、變化常常受多種因素的制約，要全面分析問題。培養嚴謹求實、崇尚真理、勇于探索未知的意識。
師生總結10分鐘 結合真實情境，判斷下列反應是否能自發： 1.治理汽車尾氣：已知室溫(298K、101KPa)下，反應2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g) ΔH=-746.8 KJ·mol-1 ΔS=-197.5 J·mol-1·K-1 根據ΔG =ΔH – TΔS<0 （ 能自發 ） 2.石墨轉化為金剛石：C(石墨)=C(金剛石) ΔH=+1.9 KJ·mol-1 ΔS=-3.3 J·mol-1·K-1 根據ΔG =ΔH – TΔS>0 （ 不能自發 ） 室溫下能夠自發。 但速率慢，需要催化劑。 鞏固學習成果；引導學生關注化學在生產生活中的應用。
課堂小結 本節課首先了解自發過程和自發反應的概念進行，之后學習了判斷反應能否自發進行的三個判據，其中焓判據和熵判據是不全面的，進而引導學生綜合考慮體系的焓變和熵變，從而提出吉布斯自由能判據，可以判斷不同溫度下，不同焓變和熵變的反應是否能夠自發進行。使學生認識到，在遇到現有理論無法解決的問題時，我們需要考慮創新理論以解決問題，培養勇于創新、追求真理的精神。同時通過真實問題情景，引導學生關注化學在生產生活中的應用，引導學生建立社會責任感。
學生作業
板書設計
整改與反思
一定條件下，下列反應不能自發進行的是(　 　)
A. 2O3(g)＝3O2(g) ΔH＜0 B. (NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s) + NH3(g) ΔH＞0
C. 2CO(g)＝2C(s) + O2(g) ΔH＞0 D. 3Fe(s)+2O2(g)＝Fe3O4(s) ΔH＜0

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