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(共20張PPT)
第二章 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡
第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)的方向
教學(xué)目標(biāo)
1、教學(xué)目標(biāo)
1) 知道化學(xué)反應(yīng)是有方向的；知道化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變和熵變的規(guī)律。
2) 能結(jié)合具體事例說明反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向。
2、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)
1) 重點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變、熵變的關(guān)系。
2) 難點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變、熵變的關(guān)系。
情景導(dǎo)學(xué)
情景導(dǎo)學(xué)
科學(xué)史話
鈦的制備
1791
第一次發(fā)現(xiàn)鈦元素
1910
第一次制得純凈鈦
制備設(shè)想
第一步：
TiO2(s)+2Cl2(g)＝TiCl4(l)+O2(g)
第二步：
TiCl4(l)+2Mg(s)＝Ti(s)+2MgCl2(s)
第一步反應(yīng)在任何溫度下都不能正向進(jìn)行，你想知道其中的原因嗎？
自發(fā)過程
問題一、什么是自發(fā)過程？
高山流水
冰雪融化
氣體擴(kuò)散
鐵生銹
自發(fā)過程與自發(fā)反應(yīng)
1) 自發(fā)過程：在一定的條件下，不需借助外力就能自動(dòng)進(jìn)行的過程
理解：不需借助外力，不需要外力做功。
2) 非自發(fā)過程：在一定條件下，需持續(xù)借助外界做功才能進(jìn)行的過程
3) 自發(fā)反應(yīng)：
在給定的條件下，可以自發(fā)進(jìn)行到顯著程度的化學(xué)反應(yīng)，就稱為自發(fā)反應(yīng)。
如：氫氣的燃燒 (自發(fā)反應(yīng))，水的分解 (非自發(fā)反應(yīng))
(一經(jīng)引發(fā)就能自動(dòng)進(jìn)行)
問題二、如何判斷自發(fā)反應(yīng)？自發(fā)反應(yīng)有什么特點(diǎn)？
自發(fā)反應(yīng)的特點(diǎn)
反應(yīng)物的總能量高
生成物的總能量低
放熱反應(yīng)
H＜0
4) 自發(fā)反應(yīng)的特點(diǎn)：體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)
研究表明，絕大多數(shù)放熱反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行
反應(yīng)放熱有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行
焓判據(jù)：
想一想：吸熱反應(yīng)都不能自發(fā)進(jìn)行嗎？
焓判據(jù)的局限性
想一想：吸熱反應(yīng)都不能自發(fā)進(jìn)行嗎？
如：
1) 2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)＝BaCl2(s)＋2NH3(g)＋10H2O(l) ΔH＞0
2) (NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g) ΔH＞0
推論：反應(yīng)放熱有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，但只根據(jù)反應(yīng)的焓變來判斷化學(xué)反應(yīng)的方向是不全面的。
問題三、為什么常溫下，有些吸熱反應(yīng)也能自發(fā)進(jìn)行呢？
反應(yīng)物
生成物
能量
反應(yīng)過程
吸熱反應(yīng)
化學(xué)反應(yīng)中的“大氣球”— 熵
混亂度及自發(fā)過程
1) H2和Cl2的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)
2) 硝酸銨溶于水
氣體分子通過分子的擴(kuò)散自發(fā)地混合均勻，體系的混亂度增加。
溶解前
溶解后
NH4＋和NO3 在硝酸銨晶體中有序地排列
被水分子包圍著的NH4＋和NO3 在溶液中自由移動(dòng)
特點(diǎn)：自發(fā)地從混亂度小向混亂度大的方向進(jìn)行 (即：有序→無序；無序更穩(wěn)定)。
熵及熵判據(jù)
1850年，克勞修斯提出用熵來度量體系的混亂 (或無序)程度。體系越混亂，熵越大 。
符號(hào)：S 單位：J·mol 1·K 1
熵判據(jù)：在孤立體系或絕熱體系中，反應(yīng)自發(fā)地向熵增的方向進(jìn)行
想一想、同一物質(zhì)不同狀態(tài)下熵值相等嗎？
交流討論
想一想、同一物質(zhì)不同狀態(tài)下熵值相等嗎？
冰
水
水蒸氣
查表：47.9J·mol 1·K 1 70J·mol 1·K 1 188.8J·mol 1·K 1
1) 等量的同一物質(zhì)，三種聚集狀態(tài)：S(g) > S(l) > S(s)
2) 通常情況下，氣體分子數(shù)增大的化學(xué)反應(yīng)為熵增反應(yīng)
交流討論
想一想、下列吸熱反應(yīng)為什么能自發(fā)進(jìn)行？有什么共同點(diǎn)？
1) 2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)＝BaCl2(s)＋2NH3(g)＋10H2O(l)
2) (NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g)
ΔS＞0
上述反應(yīng)過程中氣體分子數(shù)增大，反應(yīng)的熵值增大。
ΔS＞0
想一想、自發(fā)反應(yīng)一定是熵增加的反應(yīng)嗎？
2H2(g)＋ O2(g)＝2H2O(l) ΔS＜0
推論：熵增有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，但只根據(jù)熵變判斷化學(xué)反應(yīng)的方向是不全面的。
結(jié)論：自發(fā)反應(yīng)的方向與焓變、熵變有關(guān)，判斷反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向，需綜合考慮體系的焓變和熵變。
牛刀小試
判斷下列反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？
1) 4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)＝4Fe(OH)3(s)
ΔH＝ 444.3 kJ·mol 1 ΔS＝ 280.1 J·mol 1·K 1
2) CaCO3(s)＝CaO(s)＋CO2(g)
ΔH＝＋178.2 kJ·mol 1 ΔS ＝＋169.6 J·mol 1·K 1
√
X
√
X
利用熵變和焓變對(duì)自發(fā)反應(yīng)方向性的判斷不一致時(shí)，怎么辦？
資料卡片
自由能與化學(xué)反應(yīng)的方向
1876年，吉布斯(美)提出自由能變化 ，并認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)總是向著自由能減小的方向進(jìn)行，直至達(dá)到平衡。
1) 表達(dá)式：ΔG＝ΔH﹣TΔS (恒溫、恒壓封閉體系)
其中：ΔG單位為kJ·mol 1 ；T 為熱力學(xué)溫標(biāo)
當(dāng)ΔG＜0時(shí)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；
2) 規(guī)律：
當(dāng)ΔG＝0時(shí)，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
當(dāng)ΔG＞0時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。
說明：反應(yīng)自發(fā)性只能說明這個(gè)反應(yīng)有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)，不能確定該過程是否一定會(huì)發(fā)生及過程發(fā)生的速率。
資料卡片
自由能與化學(xué)反應(yīng)的方向
1876年，吉布斯(美)提出自由能變化 ，并認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)總是向著自由能減小的方向進(jìn)行，直至達(dá)到平衡。
說明：反應(yīng)自發(fā)性只能說明這個(gè)反應(yīng)有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)，不能確定該過程是否一定會(huì)發(fā)生及過程發(fā)生的速率。
這就是我們說的化學(xué)熱力學(xué)(理論上)允許反應(yīng)進(jìn)行，但是化學(xué)動(dòng)力學(xué)(實(shí)際上)反應(yīng)不一定能進(jìn)行。
反應(yīng)的快慢程度
化學(xué)反應(yīng)的限度
反應(yīng)進(jìn)行的方向
化 學(xué) 反 應(yīng) 原 理 的 重 要 組 成
化學(xué)反應(yīng)的方向
對(duì)反應(yīng)進(jìn)行方向判斷的討論
類型
H
S
G＝ H﹣TS 反應(yīng)的自發(fā)性
①
②
③
④
－
＋
＋
－
＋
－
＋
－
永遠(yuǎn)是－
永遠(yuǎn)是＋
低溫時(shí)為＋
高溫時(shí)為－
低溫時(shí)為－
高溫時(shí)為＋
正向反應(yīng)的自發(fā)性
在任何溫度下均自發(fā)
在任何溫度下均非自發(fā)
低溫時(shí)非自發(fā)
高溫時(shí)自發(fā)
低溫時(shí)自發(fā)
高溫時(shí)非自發(fā)
H
S
高溫下
自發(fā)
(＋、＋)
任何溫度
下均自發(fā)
( 、＋)
低溫下
自發(fā)
( 、 )
任何溫度
下均非自發(fā)
(＋、 )
化學(xué)反應(yīng)的方向
遷移應(yīng)用
已知：制鈦的第一步：TiO2(s)＋2Cl2(g)＝TiCl4(l)＋O2(g) ΔH>0
為什么第一步反應(yīng)在任何溫度下都不能正向進(jìn)行？如何改進(jìn)？
經(jīng)過不斷地研究和嘗試，在1910年，科學(xué)家終于解決了制鈦的第一步反應(yīng)，即在反應(yīng)中適當(dāng)加入石墨，發(fā)生反應(yīng)：
TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)＝TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH<0
化學(xué)反應(yīng)的方向
身邊的化學(xué)
汽車尾氣中的主要污染物是NO和CO，為了減輕大氣污染，人們提出通過以下反應(yīng)來處理汽車的尾氣
2NO(g)＋2CO(g)＝N2(g)＋2CO2(g)
已知：在298K、101kPa下：
ΔH＝ 746.8 kJ·mol 1 ΔS＝ 197.5 J·mol 1·K 1
試判斷該方案的可行性？并說明理由。
如果可行，還需要探究該反應(yīng)的哪些方面？
隨堂練習(xí)
(17浙江) 已知:
2Al2O3(s)＝4Al(g)＋3O2(g) ΔH1＝＋3351KJ/mol
2C(s)＋O2(g)＝2CO(g)　ΔH2＝﹣221KJ/mol
2Al(g)＋N2(g)＝2AlN(s) ΔH3＝﹣318KJ/mol
碳熱還原Al2O3合成AlN的總熱化學(xué)方程式是：
________________________________________
該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件______
Al2O3(s)＋3C(s)＋N2(g)＝
2AlN(s)＋3CO(g) ΔH ＝＋1026KJ/mol
高溫
謝謝

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