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化學(xué)反應(yīng)的方向
第二章 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡
1.了解放熱反應(yīng)的自發(fā)性和某些吸熱過(guò)程的自發(fā)性，知道化學(xué)反應(yīng)是有方向的;
2.通過(guò)“有序”和“無(wú)序”的對(duì)比，引出熵的概念;
3.知道化學(xué)反應(yīng)的方向與反應(yīng)的焓變和熵變有關(guān)，能利用能量判椐、熵判椐和復(fù)合判據(jù)對(duì)反應(yīng)進(jìn)行方向的判斷。
化學(xué)反應(yīng)原理
化學(xué)反應(yīng)的方向
化學(xué)反應(yīng)的快慢
化學(xué)反應(yīng)的限度
——？
——化學(xué)反應(yīng)速率
——化學(xué)平衡
水從高處向低處流
自然界中的自發(fā)過(guò)程體現(xiàn)了
自然界變化的方向性
熱茶變涼
一、自發(fā)過(guò)程與自發(fā)反應(yīng)
自發(fā)過(guò)程：在一定條件下，不需要借助外力作用就能自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。
自發(fā)反應(yīng)：在一定條件下，無(wú)需外界幫助，一經(jīng)引發(fā)即能自動(dòng)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。
非自發(fā)過(guò)程 ：在一定條件下，需要持續(xù)借助人為作用力才能進(jìn)行的過(guò)程。
體系趨向于從高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低能量狀態(tài)
體系趨向于從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)換為無(wú)序狀態(tài)
概念辨析
即在一定條件下反應(yīng)的某個(gè)方向是自發(fā)進(jìn)行的，其逆方向在相同條件下一定不能自發(fā)進(jìn)行
自發(fā)反應(yīng)具有方向性
但不一定能夠?qū)嶋H發(fā)生，發(fā)生時(shí)速率也不一定大，非自發(fā)反應(yīng)在一定條件下也可能發(fā)生。如煤的燃燒是自發(fā)反應(yīng)，但在常溫下不能自發(fā)進(jìn)行。
自發(fā)反應(yīng)是指該反應(yīng)過(guò)程有自發(fā)進(jìn)行的傾向
二、焓變與反應(yīng)方向
下列反應(yīng)在一定條件下都能自發(fā)進(jìn)行，你知道這些反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的原因嗎？
①Na(s)+H2O(l)===NaOH(aq)+1/2H2(g)
②鐵生銹：2Fe(s)+3/2O2(g)=== Fe2O3(s)
③Zn(s)+CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)+Cu(s)
④Mg(s)+H2SO4(aq)===MgSO4(aq)+H2(g)
---大多數(shù)自發(fā)反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
H= -184kJ/mol
H= -824kJ/mol
H= -217kJ/mol
H= -851.5kJ/mol
反應(yīng)物的總能量高
生成物的總能量低
放熱反應(yīng)
H < 0
體系的能量降低
在19世紀(jì)，一些化學(xué)家認(rèn)為，決定反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的因素是反應(yīng)熱，放熱反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，而吸熱反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。吸熱反應(yīng)都不能自發(fā)進(jìn)行嗎？
2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8 H2O(s)===NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) H ﹥0
NaHCO3(s)+HCl(aq)===NaCl(aq)+CO2(g)+ H2O(l) H=+31.4kJ/mol
這些反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，但在常溫下能自發(fā)進(jìn)行。
【結(jié)論】焓減有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
但不是唯一的因素。
三、熵變與反應(yīng)方向
硝酸銨溶于水的過(guò)程
氣體的自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程
不需要外界的任何作用，氣體通過(guò)分子的擴(kuò)散自發(fā)地混合均勻。
這些過(guò)程共同特點(diǎn)：
混亂度小（有序）
混亂度大（無(wú)序）
自發(fā)的
三、熵變與反應(yīng)方向
體系除了具有從高能狀態(tài)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)的傾向，還有從有序自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序的傾向。
熵(S)：
描述體系混亂(或無(wú)序)程度的物理量。
單位：J·mol-1·K-1
熵變（△S）：
△S = S(生成物）-— S(反應(yīng)物）
△S>0,熵增反應(yīng)
△S<0,熵減反應(yīng)
標(biāo)準(zhǔn)狀況下：1 mol 不同物質(zhì)的熵 S (J· mol-1·K-1)
CH4 O2 CO2
186.15 205.03 214
H2O(l) HNO3(l) Br2(l)
69.9 156 152
NaCl Fe 金剛石
72.1 27.3 2.4
思考：同一物質(zhì)不同狀態(tài)下熵值相等嗎？
同一物質(zhì)：S(g)>S(l)>S(s)。
體系混亂度越大，熵值越大；
體系混亂度越小，熵值越小。
下列對(duì)熵變的判斷不正確的是(　　)
A．少量的食鹽溶解于水中：ΔS>0
B．炭和氧氣反應(yīng)生成CO(g)：ΔS>0
C．氣態(tài)水變成液態(tài)水：ΔS>0
D．CaCO3(s)受熱分解為CaO(s)和CO2(g)：ΔS>0
C
三、熵變與反應(yīng)方向
2H2(g)+O2(g)= 2H2O(l)
△S<0
NH3(g)+HCl(g)= NH4Cl(s) △S<0
都可自發(fā)進(jìn)行
室溫 冰融化
-10 ℃ 水結(jié)冰
H2O(l) = H2O (s) △H <0 △S<0
H2O(s) = H2O (l) △H >0 △S>0
以下均是自發(fā)過(guò)程，尋找全面的判據(jù)
注：只有孤立體系（與環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)交換也沒(méi)有能量交換）或絕熱體系
（與環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)交換也沒(méi)有熱量交換），自發(fā)過(guò)程才向著熵增方向進(jìn)行。
熵變是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行一個(gè)因素,但不是唯一因素。
焓判據(jù)：體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)（△H ＜ 0）。
1.焓變與反應(yīng)方向
2. 熵變與反應(yīng)方向
反應(yīng)的△S >0促使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，△S 越大,越有利
反應(yīng)的△H＜0促使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，△H 越小,越有利
熵判據(jù)： 密閉條件下，體系有從有序自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序的傾向
四、復(fù)合判據(jù)
研究表明：在等溫、等壓條件下封閉體系中，自由能的變化綜合反應(yīng)了體系的焓變和熵變對(duì)自發(fā)過(guò)程的影響：
（ G ：自由能 )
化學(xué)反應(yīng)總是向著自由能減小的方向進(jìn)行，直到體系達(dá)到平衡
△G = △H - T△S
當(dāng)△G＜ 0 時(shí)， 反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行
當(dāng)△G ＞0時(shí)，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行
當(dāng)△G＝0 時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)
注意： G這個(gè)判據(jù)指的是在T、P一定的條件下反應(yīng)自動(dòng)發(fā)生的趨勢(shì)，即反應(yīng)發(fā)生的可能性，并不能說(shuō)明反應(yīng)能否實(shí)際發(fā)生和發(fā)生的速率！
( T 為熱力學(xué)溫度，T＝t +273,單位開(kāi)爾文 K )
美國(guó)物理化學(xué)家吉布斯
△G 不僅與焓變和熵變有關(guān)，還與溫度有關(guān)
△H
△S
H>0
S<0
所有溫度下
反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行
H<0
S<0
低溫下
反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行
H>0
S>0
高溫下
反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行
H<0
S>0
所有溫度下
反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行
判斷下列反應(yīng)什么條件下能自發(fā)進(jìn)行？
(1) 鈉與水反應(yīng)
(2) NH3(g)+HCl(g) =NH4Cl(s)
C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)
(4) 2CO(g)=2C(s)+O2(g)
△H <0 △S>0
自發(fā)進(jìn)行
△H <0 △S <0
低溫自發(fā)進(jìn)行
△H >0 △S>0
高溫自發(fā)進(jìn)行
△H >0 △S<0
非自發(fā)進(jìn)行
根據(jù) G = H – T S計(jì)算能否自發(fā)進(jìn)行
2KClO3(s)==2KCl(s)+3O2(g)
△H (25℃)= -78.03 kJ·mol-1
△S(25℃)= +494.4 J·mol-1·K-1
解：
△G=△H-T△S＝-78.03 kJ/mol-298K×0.4944 KJ/(mol·K)
＝-225.36 kJ/mol
∵△G<0,∴能自發(fā)進(jìn)行。
CO(g)==C(s,石墨)+1/2O2(g)
△H (298K)= +110.5 kJ·mol-1
△S (298K)= -89.36 J·mol-1·K-1
解：
△G=△H-T△S＝+110.5 kJ/mol-298K×(-0.08936) KJ/(mol·K)
＝+137.13 kJ/mol
∵△G>0,∴不能自發(fā)進(jìn)行。
化學(xué)反應(yīng)的方向
自發(fā)過(guò)程與自發(fā)反應(yīng)
復(fù)合判據(jù)
熵判據(jù)
焓判據(jù)
放熱過(guò)程（ H﹤0）常常是容易自發(fā)進(jìn)行
熵增過(guò)程（ S﹥0）常常是容易自發(fā)進(jìn)行
G= H-T S
G﹤0 反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行
G =0 反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)
G﹥0 反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行
1.下列過(guò)程是非自發(fā)的是∶（ ）
A.水由高處向低處流 B.天然氣的燃燒
C.鐵在潮濕空氣中生銹 D.室溫下水結(jié)成冰
2.碳酸銨〔（NH4）2CO3〕在室溫下就能自發(fā)地分解產(chǎn)生氨氣，對(duì)其說(shuō)法中正確的是∶（ ）
A.其分解是因?yàn)樯闪艘讚]發(fā)的氣體，使體系的熵增大
B.其分解是因?yàn)橥饨缃o予了能量
C.其分解是吸熱反應(yīng)，據(jù)能量判據(jù)不能自發(fā)分解
D.碳酸鹽都不穩(wěn)定，都能自發(fā)分解
D
A
3.以下自發(fā)反應(yīng)可用焓判據(jù)來(lái)解釋的是( )
A.硝酸銨自發(fā)地溶于水
B.2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)；△H=+56.7kJ/mol
C.(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g); △H=+74.9 kJ/mol
D.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l); △H=-571.6 kJ/mol
D
4.下列對(duì)于化學(xué)反應(yīng)方向說(shuō)法正確的是(　　)
A．反應(yīng)3NO2(g)＋H2O(l)=2HNO3(aq)＋NO(g)在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行， 說(shuō)明該反應(yīng)的ΔH＞0
B．常溫下反應(yīng)2Na2SO3(s)＋O2(g)=2Na2SO4(s)能自發(fā)進(jìn)行，則ΔH＜0
C．反應(yīng)2Na2O2(s)＋2CO2(g)=2Na2CO3(s)＋O2(g)能自發(fā)進(jìn)行，則該反應(yīng)的ΔH＞0
D．一定溫度下，反應(yīng)2NaCl(s)=2Na(s)＋Cl2(g)的ΔH＜0
B
5.石墨、金剛石燃燒的熱化學(xué)方程式分別為
C(石墨) + O2 (g) = CO2(g) ΔH=-393.51 kJ·mol-1
C(金剛石) + O2 (g) = CO2(g) ΔH=-395.41 kJ·mol-1
關(guān)于金剛石和石墨的相互轉(zhuǎn)化，下列說(shuō)法正確的是（ ）
A.石墨轉(zhuǎn)化成金剛石是自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程
B.金剛石轉(zhuǎn)化成石墨是自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程
C.金剛石比石墨更穩(wěn)定
D.金剛石比石墨能量低
B

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