資源簡介

第三節 化學反應的方向
教學目標
1、結合學過的化學反應實例，了解自發過程和化學反應的自發性。
2、通過“有序”和“無序”的對比，了解熵和熵變的意義。
3、初步了解焓變和熵變對化學反應方向的影響，能用焓變和熵變解釋化學反應的方向，培養證據推理與模型認知能力。
教學重難點
焓變和熵變與化學反應方向的關系，綜合判據的理解與應用。
教學過程
【新課導入】
生活中很對自然現象，如高山流水、熟透的蘋果落地，其勢能減少，狀態趨向于穩定，能量趨向于最低，撲克、玩具散落時，“亂七八糟”，混亂度趨向于最大。其實化學反應也有類似現象，如室溫下，冰塊會融化；鐵器暴露在潮濕的空氣中會生銹；甲烷和氧氣的混合氣體遇明火就燃燒等。，這些化學變化都是自發進行的反應，它們都有內能變化或混亂度的變化。那么，它們的變化過程又有哪些規律呢？本節課我們將進行一些探討。
【新知講解】
【閱讀理解】閱讀教材p41、42的內容。
一、用焓判據判斷反應進行的方向
【交流討論】
1.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主要原因嗎？它們有何共同特點？
C3H8(g) + 5O2(g) = 3CO2(g) + 4H2O(l) △H = -2217.5kJ·mol-1
2Na(s) + Cl2(g) = 2NaCl(s) △H = -822 kJ·mol-1
4Fe(s) + 3O2(g) = Fe2O3(s) △H = -1648.4 kJ·mol-1
H2(g) + F2(g) = 2HF(g) △H = -546.6 kJ·mol-1
2.從能量角度分析它們為什么可以自發進行？
【分析1】共同特點：△H < 0 即放熱反應
【分析2】放熱反應使體系能量降低，能量越低越穩定
△H < 0 有利于反應自發進行
【講解】研究表明，對于化學反應而言，絕大多數放熱（體系能量降低）反應都能自發進行，且反應放出的熱量越多，體系能量降低得也越多，反應越完全。
能量判據（焓判據）∶
自發過程的體系趨向于從高能狀態轉變為低能狀態（△H ﹤0），即△H＜0的反應有自發進行的傾向
二、用熵判據判斷反應進行的方向
【交流討論】
是不是所有自發進行的化學反應都是放熱的？觀察以下自發進行的反應，分析為何能自發進行。
2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l)
2N2O5(g)=4NO2(g)+O2 (g)
(NH4) 2CO3(s) = NH4HCO3(s)+NH3(g)
【分析】三者都是吸熱反應，說明△H <0有利于反應自發進行，但自發反應不一定要△H<0
焓變只是反應能否自發進行的一個因素,但不是唯一因素。只根據焓變來判斷反應方向是不全面的。
【過渡】那么還有那些因素決定了反應的自發性呢 我們來看一下過程。
火柴的散落，撲克牌多次洗牌，墨水的擴散，固體的溶解，氣體的擴散這些都是自發的過程。
【交流討論】這些看似不相干的事件有哪些規律
【分析】這些過程都是由整齊到散亂，由有序到無序，過程的發展總是自發的由混亂度大向混亂度小的方向進行。
【講解】科學家用熵來度量這種混亂度的程度，符號S，單位J/(mol·K)。
定義：熵是衡量體系混亂度大小的物理量
符號和單位：S，常用單位：J/(mol·K)
影響熵大小的因素：混亂度越大→體系越無序→熵值越大
①與物質的量的關系：物質的量越大→粒子數越多→熵值越大
②對于同一物質，當物質的量相同時，S(g)>S(l)>S(s)
③不同物質熵值的關系：
I、物質組成越復雜→熵值越大
II、對于原子種類相同的物質：分子中原子數越多→熵值越大
熵變：發生化學反應時物質熵的變化成為熵變，符號為ΔS，計算方法：ΔS=生成物總熵-反應物總熵
用熵判據判斷反應進行的方向：體系有自發向混亂度增加的方向變化的傾向。(即熵增△S＞0)
【課堂練習】
1.根據熵的定義判斷下列過程中體系的熵變大于零還是小于零。
(1)水蒸氣冷凝成水
(2)硫酸銅溶于水
(3)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
(4) 2N2O5(g)＝4NO2(g)+O2(g)
(5)2H2(g) + O2(g) ＝2H2O (l)
【答案】(1) (5)△S<0；(2) (3) (4) △S>0
三、用綜合判據判斷反應進行的方向
【交流討論】
判斷以下自發進行的反應的熵變
Zn(s) + H2SO4(aq) = Zn SO4(aq) + H2(g)
2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g)
2NO(g) + 2CO(g) = N2(g) + 2CO2(g)
4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) = 4Fe(OH)3(s)
【分析】①②反應為熵增的反應，即△S>0，可以自發進行；③④為熵減的反應，△S<0，也可以自發進行。
【講解】熵減的反應為什么能夠自發進行呢？說明熵變是反應能否自發進行的一個因素, 但不是唯一因素。化學反應是否能夠自發進行的最終判斷依據是什么呢？
正確判斷一個化學反應是否能夠自發進行必須綜合考慮體系的焓變和熵變
【閱讀理解】閱讀課本P43，了解自由能與化學反應的方向
復合判據（自由能判據）
研究表明：在溫度、壓強一定的條件下，化學反應自發進行方向的判據是△G = △H - T△S
2. 反應進行方向的判斷方法：
△G = △H - T△S ＜ 0 反應能自發進行
△G = △H - T△S ＞0 反應不能自發進行
△G = △H - T△S ＝0 反應達到平衡狀態
3.總結
1、物質具有的能量趨于降低，H(焓變) <0，放熱反應，焓判據。
2、物質的混亂度趨于增加，S(熵變)>0，熵(S)判據
【交流討論】1.填寫下表
H Ｓ Ｇ 反應在該狀況下能否自發進行
＜０ ＞０ ＜０ 自發進行
＞０ ＜０ ＞０ 不自發進行
＞０ ＞０ 低溫時＞０,高溫時＜０ 低溫不自發,高溫自發
＞０ ＜０ 低溫時＜０,高溫時＞０ 低溫自發,高溫不自發
2.思考，我們可利用數學上的象限表示不同情況下的反應自發情況。找出四個象限，反應的自發情況。
Ｓ
自發進行 高溫自發
H
低溫自發 非自發進行
【總結】應用判據時的注意事項
（1）在討論過程的方向問題時，我們指的是沒有外界干擾時體系的性質。如果允許外界對體系施加某種作用，就可能出現相反的結果。
（2）過程的自發性只能用于判斷過程的方向，不能確定過程是 否一定會發生和過程發生的速率。
（3）一般來說，如果一個過程是自發的，則其逆過程往往是非自發的。
【課堂練習】
2.反應CH3OH(l)＋NH3(g)===CH3NH2(g)＋H2O(g)在某溫度下自發向右進行，若反應的|ΔH|＝17 kJ·mol－1，|ΔH－TΔS|＝17 kJ·mol－1，則下列正確的是(　　)
A．ΔH＞0，ΔH－TΔS＜0 B．ΔH＜0，ΔH－TΔS＞0
C．ΔH＞0，ΔH－TΔS＞0 D．ΔH＜0，ΔH－TΔS＜0
【答案】　A
【解析】　某溫度下反應自發向右進行，說明ΔH－TΔS＜0，即ΔH－TΔS＝－17 kJ·mol－1，若ΔH＝－17 kJ·mol－1，則ΔS＝0，不符合事實，故ΔH＝＋17 kJ·mol－1＞0，所以選A項。
3.在如圖所示圖1中A、B兩容器里，分別收集著兩種互不作用的氣體。若將中間活塞打開，兩種氣體分子立即都分布在兩個容器中(見圖2)。這是一個不伴隨能量變化的自發過程。關于此過程的下列說法中不正確的是(　　)
A．此過程為混亂程度小的向混亂程度大的方向的變化過程，即熵增大的過程
B．此過程為自發過程，而且沒有熱量的吸收或放出
C．此過程從有序到無序，混亂度增大
D．此過程是自發可逆的
【答案】　D
【解析】　由題意知ΔH＝0、ΔS＞0，由ΔH－TΔS知該過程的逆過程不能自發進行，所以D錯。
【課堂小結】
【課堂檢測】
1.下列說法正確的是(　　)
A．ΔH<0，ΔS>0，所有溫度下反應能自發進行
B．化合反應都是放熱反應，分解反應都是吸熱反應
C．凡是放熱反應都是自發的，吸熱反應都是非自發的
D．自發反應一定不需要任何條件就容易發生
【答案】　A
【解析】　ΔH<0，ΔS>0，則ΔH－TΔS<0，反應在所有溫度下均能自發進行，A正確；大部分化合反應是放熱反應，分解反應是吸熱反應，B錯誤；判斷反應是否自發進行的依據是ΔH－TΔS<0反應自發進行，C錯誤；自發反應也可能需要一定的條件，D錯誤。
2.下列對于化學反應方向說法正確的是(　　)
A．反應3NO2(g)＋H2O(l)===2HNO3(aq)＋NO(g)在一定條件下能自發進行，說明該反應的ΔH＞0
B．常溫下反應2Na2SO3(s)＋O2(g)===2Na2SO4(s)能自發進行，則ΔH＜0
C．反應2Na2O2(s)＋2CO2(g)===2Na2CO3(s)＋O2(g)能自發進行，則該反應的ΔH＞0
D．一定溫度下，反應2NaCl(s)===2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH＜0
【答案】　B
【解析】　ΔH－TΔS＜0反應能自發進行。若反應的ΔS＜0，反應能自發進行，則ΔH＜0，A、C錯誤，B正確；2NaCl(s)===2Na(s)＋Cl2(g)屬于分解反應，為吸熱反應，ΔH＞0，D錯誤。
3．已知：△G＝△H﹣T△S，當△G＜0，反應能自發進行，△G＞0反應不能自發進行。生產合成氣的反應：C（s）+H2O（g）═CO（g）+H2（g）在高溫時才能自發進行。下列對該反應過程的△H、△S判斷正確的是（　?。?br/>A．△H＞0，△S＜0 B．△H＜0，△S＜0 C．△H＞0，△S＞0 D．△H＜0，△S＞0
【答案】C
【解析】由反應C（s）+H2O（g）═CO（g）+H2（g）可知，反應中氣體的體積增大，則△S＞0，△G＝△H﹣T△S，當△G＜0反應可自發進行，該反應在高溫度時才能自發進行，△H＞0，故選：C。
4.金屬錫的冶煉常用焦炭作還原劑：SnO2（s）+2C（s）═Sn（s）+2CO（g）↑，
反應過程中能量的變化如圖所示．下列有關該反應的△H、△S的說法中正確的是（　　）
A．△H＜0，△S＜0 B．△H＞0，△S＜0 C．△H＜0，△S＞0 D．△H＞0，△S＞0
【答案】D
【解析】SnO2（s）+2C（s）═Sn（s）+2CO（g）↑，該反應生成物氣體系數大，混亂度大，所以是熵增加的反應，故：△S＞0；
從圖中可知，反應物能量低，生成物能量高，該反應是吸熱反應，故：△H＞0；故選：D。
5．下列反應不可能自發進行的是（　　）
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
【答案】B
【解析】A．△H＜0，△S＞0，可滿足△H﹣T △S＜0，反應能自發進行，故A不選；
B．△H＞0，△S＜0，一般情況下△G＝△H﹣T △S＞0，不能自發進行，故B選；
C．△H＜0，△S＜0，溫度較高時即可滿足△H﹣T △S＜0，能自發進行，故C不選；
D．△H＞0，△S＞0，溫度較高時即可滿足△H﹣T △S＜0，反應能自發進行，故D不選。故選：B。

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