資源簡介

(共29張PPT)
第二章化學反應速率與化學平衡
第三節 化學反應的方向
課程目標
1、知道化學反應是有方向的。
2、知道化學反應的方向與反應的焓變 和熵變有關。
3、能判斷熵的變化(熵增或熵減)
4 、能判斷簡單反應能否自發進行。
排水：借助水泵， 持續消耗電能
低處
飛流直下：
不借助外力 高處
自發
非自發
初步認識
自發過程：
一定的條件下，不需要其它外力作用就能自動進行 的反應稱為自發過程。
舉例生活中的自發過程
冰融化
墨水擴散
自發反應：
在給定條件下，可以自發進行到顯著程度的化學 反應稱為自發反應。
初步認識
深入認識
·在一定條件下，如果一個過程是自發的，那么它的
逆過程通常是非自發的。
非自發過程：
必須外界持續做功，否則，過程就會停止，這樣的過 程叫做“非自發過程”。
氫氣 水的
的燃 電解
燒
深入認識
●“自發”只是有發生的趨勢，并不代表實際發生，更不
能確定發生的速率。“非自發“也不代表不能發生。
處于高水位的水有 向低處流動的趨勢 但是現在被大壩攔 截，此過程并沒有 實際發生，但是有 發生的趨勢。
深入認識
· “自發”是一定條件下的自發，條件變了，可能由原來
的“自發”變成“非自發”。
春天冰融水自發
冬天水結冰自發
思考交流
你們認為什么類型的化學反應更 容易發生呢
任務 一 化學反應方向的焓判據
分析下列反應進行的方向與△H之間的關系：
①2Na(s)+2H2O(1)====2NaOH(aq)+H2(g),該反應是放_ _ 熱 反應，△H≤_0,常溫下能自發進行。
②4Fe(OH)2(s)+2H2O(1)+02(g)====4Fe(OH)3(s),在常溫 下能自發進行，該反應的△H__0。
行的傾向。19世紀，化學家就認為反應熱是決定化學 反應是否自發進行的因素，即△H<0 的放熱反應都可 以自發進行，而△H>0 的吸熱反應則不能自發進行， 提出用焓變來判斷反應進行的方向，這就是所謂的焓 判據。
能量趨于降低，△H<0,有自發進行傾向。
任務一化學反應方向的焓判據
放熱反應過程中體系能量降低，因此具有自發進
思考交流
只有放熱反應才能自發進行嗎
氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應吸收熱量
局限性
科學家由此提出用焓變來判斷反應進行的方向。
多數能自發進行的化學反應是放熱反應，但有些吸熱反應
歸納小結
放熱反應過程中體系能量降低，因此具有自發進行的傾向，
也能自發進行，因此，反應的焓變是與反應進行方向有關的因素
之一，但不是決定反應能否自發進行的唯一因素。
①放在同一密閉容器中的不同種氣態物質(包括液態 物質或能夠揮發的固態物質的蒸汽),不需要外界的任何 作用，氣態物質會通過分子的擴散自發地形成均勻混合物。
②相互接觸的固體物質體系，長期放置后，通過擴散 發現進入到另一種固體中的分子或原子。
③硝酸銨溶于水要吸熱，它卻能夠自發地向水中擴散。
④有序排列的火柴散落時成為無序排列——有趨于最 大混亂度的傾向。
其他自發過程
空氣
玻璃板— 二氧化氮
任務二化學反應方向的熵判據
德國科學家克勞修斯(R.Clausius) 最早 提出了另一個推動體系變化的因素，并稱 之 為 “ 熵 ”(符號S) 的概念，用熵表示體 系混亂度，S=Q/T。
玻爾茲曼通過數學模型的建立得出微觀狀態數與熵有 數學關系，具體解釋了熵的物理意義： S=k log W,
建立了熵與概率的關系，被譽為最美的三個公式之一。 其他兩個公式分別為牛頓運動定律F =ma,愛因斯坦質 能關系E=mc2。
熵 (S): 是用來量度混亂(或無序)的程度。
在密閉條件下，體系有從有序自發地轉變為無序的傾 向。與有序體系相比，無序體系“更加穩定”,可以采取 更多地存在方式。在與外界隔離的體系中，自發過程將導 致體系的熵增大，即熵變(符號△S) 大于零，這個原理 叫做熵增原理。
在用來判斷過程的方向時，就稱為熵判據。 即混亂度趨于增加△S>0, 有自發進行傾向。
任務二化學反應方向的熵判據
思考交流
1.同一物質固、液、氣態，哪狀態的熵最大
2.體系熵變與生成氣體量有何關系
1.同一物質：
S(g)>S(1)>S(s)
2.化學反應中，固態物質或 液態物質生成氣態物質，體 系的混亂度增大；從較少的 氣態物質生成較多的氣態物 質，體系的混亂度也增大
燕 發
熵的大小規律
(1)與物質的存在狀態有關：對于同一種物質，等物質的 量的該物質其熵值(混亂度)大小與物質的存在狀態有關。由 于氣態分子比液態的分子中的間隔要大，而液態分子比固態分 子的間隔要大，所以，S(g)>S(1)>S(s),
即氣態>液態>固態。
(2)與物質的量有關：物質的量越大，分子數越多，熵值 越大。
(3)不同物質熵值間的關系：物質的組成越復雜，其熵值 越大，一般組成物質的原子種類相同時， 一個分子中的原子數 目越多，其混亂度越大，熵值也越大。
思考交流
請說說下列吸熱反應能夠自發進行的原因。
①2N205 (g)=4NO2(g)+02(g)△H=+56.7kJ/mol △S>0
②(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)
△H=+74.9kJ/mol △S>0
熵判據：
熵增加(△S>0), 體系混亂度增加，具有自發 進行的傾向。
有些熵值減小的反應，在一定條件
下也能自發進行。例如：乙烯聚合為聚乙烯 的反應，就是熵減的過程，即△S<0, 再如： 2NO(g)+2C0(g)=N2(g)+2C02(g)
4Fe(OH)2(s)+02(g)+2H20(1)=4Fe(OH)3(s)
熵減的反應一定不能自發進行嗎
思考交流
吉布斯確立了定量描述焓變和熵變在 判斷反應的自發性過程中的地位。吉布斯 自由能的出現，完美地從定量角度揭示了 變化過程中焓變與熵變之間的協調與抗衡。
體系自由能變化(符號為△G, 單位為 kJ/mol) 綜合考慮了焓變和熵變對體系的 影響，用來定量評價焓變和熵變在反應過 程中作用的關系稱之為吉布斯公式：
△G=△H-T△S,G 為吉布斯自由能。
吉布斯
自發反應的方向與焓變和熵變有關，但焓變和熵變又都不能
單獨作為判斷反應自發進行方向的依據。要判斷反應自發進行的 方向，必須綜合考慮體系的焓變和熵變。
任務三化學反應方向的復合判據
利用吉布斯自由能的大小，可以判斷反應的自發性：
△G=△H-T△<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。
也可以這樣描述：
當△H<0,△S>0, 反應自發進行；
當△H>0,△S<0, 反應不自發進行；
當△H>0,△S>0 或△H<0,△S<0 反應是否自發與溫度 有關，一般低溫時焓變影響為主，高溫時，熵變為主，而 溫度影響的大小要視△H、△S的具體數值而定。
高溫下反應
能自發進行
△H>0 △H
△S<0
所有溫度下反應 都不能自發進行
深入認識
△H<0 △SA
△S>0
△H<0
△S<0
低溫下反應 能自發進行
所有溫度下反應 都能自發進行
△H>0 △S>0
0
活學活用
早在1791年，人們就在金紅石的礦物中發現了鈦元素(該礦物的主要成分 是TiO2,含量95%)。然而，直到1910年，人們第一次才得以制得純凈的鈦。
科學家設計的第一步反應：
TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(1)+02(g)
△H=+161.9KJ/mol,△S=-38.4J/(mol·K) 不能自發反應。
另一個方案：科學家們為了解決這一難題，想出來另外一個方案：向二氧 化鈦與氯氣的反應體系中加入石墨，
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(石墨)=TiCl4(1)+2CO(g) △H=-59.1kJ·mol-1,
△S=141.0J mol-1 K-1。
隨堂練習
1、下列說法不正確的是( C )
A. 焓變是一個與反應能否自發進行有關的因素，多數能 自發進行的反應都是放熱反應。
B. 在同一條件下不同物質有不同的熵值，其體系的混 亂程度越大，熵值越大。
C. 一個反應能否自發進行取決于該反應放熱還是吸熱
D. 一個反應能否自發進行，與焓變和熵變的共同影響 有關
注意事項：
(1)很多情況下，簡單地只用其中一個判據判斷同一個反應，可 能會出現相反的判斷結果，所以應兩個判據兼顧。由能量判據 (以焓變為基礎)和熵判據組合成的復合判據(吉布斯自由能變
△G)將更適合于所有的過程。
(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。
例如：涂有防銹漆和未涂防銹漆的鋼制器件，其發生腐蝕過程的 自發性是相同的，但只有后者可以實現；又如裝在不同地方的 氣體等例子。
(3)在討論過程的方向時，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。
如：
水泵可以把水從低水位升至高水位；用高溫可使石 灰石分解；高溫高壓石墨轉化為金剛石的例子，實現后 者的先決條件是要向體系中輸入能量，該過程的本質仍 然是非自發性的。
隨堂練習
2、以下自發反應可用能量判據來解釋的是( D ) A、硝酸銨自發地溶于水
B、2N205(g)===4NO2(g)+02(g);△H=+56.7kJ/mol
C 、(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g);△H=+74.9 kJ/mol D 、2H2(g)+02(g)=2H2O(1)△H=-571.6 kJ/mol
3、下列反應中，熵減小的是(D )
A.(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)
B.2N205(g)=4NO2(g)+02(g)
C.MgCO3(s)=MgO(s)+CO2(g)
D.2CO(g)=2C(s)+02(g)

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