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新人教版选修四高中化学化学反应进行的方向 (2)

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新课标人教版选修四


    第四节化学反应进行的方向第四节化学反应进行的方向

         正正宁四中宁四中      赵红霞赵红霞
          第四节
    化学反应进行的方向

学习要求:
1、焓的概念、熵的概念
2、利用焓变判断反应进行的方向
3、利用熵变判断反应进行的方向
1、生活中的自发过程
  ①自然界中水总是从高处往低处流;
  ② 墨水扩散,食盐溶解于水
  ③生活中一般在室温下,冰块会融化;铁器暴露在潮
  湿空气中会生锈;甲烷和氧气的混合气体遇明火就燃
  烧,这些过程都是自发的,其逆过程就是非自发的。

  ④ 生活中电流总是从电位高的地方向电位低的地方
  流动,其反方向也不会自动进行;
  如何判断一个过程,一个反应能否自发进行?
       化学反应的方向

1.自发过程:在一定条件下不需外力作用就能
 自动进行的过程.
   自发过程的特征:有明确的方向性,具有
 做功的本领。要逆转必须借助外界做功。
2.非自发过程 :在一定条件下,需要外界做
 功才能进行的过程。
3. 自发反应:在一定条件下无需外界帮助就能
 自动进行的反应.
说明:(1)自然界中水由高处往低处流是自发过程
,其逆过程就是非自发过程,甲烷与氧气混合遇火
就燃烧是自发反应,其逆向是非自发反应。
     (2)自发过程和自发反应可被利用来完成有用功
。如向下流动的水可推动机器 ,甲烷燃烧可在内
燃机中被利用来做功,可将氢气燃烧反应设计成燃
烧电池等。
      (3)非自发过程要想发生,则必须对它做功,如
利用水泵可将水从低处流向高处,通电可将水分解
生成氢气和氧气。
(4)在讨论过程的方向时,指的是没有外界干扰时
体系的性质。如果允许外界对体系施加某种作用,
就可能出现相反的结果。如水泵可以把水从低水位
升至高水位;用高温可使石灰石分解。实现后者的
先决条件是要向体系中输入能量,该过程的本质仍
然是非自发性的。

(5)反应的自发性也受外界条件的影响。如常温下
石灰石分解生成生石灰和二氧化碳是非自发性的,
但在1273K时,这一反应就是自发的反应。
2、放热的自发反应

(1)甲烷燃烧:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)
                              △H=-802.3 kJ/mol


(2)铁生锈:3Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s) 
                          △H=-824 kJ/mol

(3)氢气和氧气反应:2H2(g)+O2(g)=2H2O(l); 
                                    △H=-571.6 kJ/mol

 (3)Fe(OH)2:4Fe(OH)2 + O2(g) +2H2O(l) = 4Fe(OH)3 ; 
                                     △H < 0

     NH3 + HCl  =  NH4Cl      △H < 0
  3、吸热的自发过程
 (1)室温下冰块的融化;硝酸盐类的溶解等都是自
发的吸热过程。

(2)N2O5分解: 2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g);
                                        △H=+56.7kJ/mol

(3) 碳铵的分解:(NH4 
)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g); 
                                 △H=+74.9 kJ/mol
4、既不吸热也不放热的自发过程

    两种理想气体的混合等
练习:判断自发与非自发(室温下)
(1)打开活塞,分液漏斗中的水流进烧杯 自发
(2)镁带燃烧       自发
(3)氢气燃烧       自发

(4)水分解成H2和O2过程       非自发
  判断化学反应方向的依据

思考:高山流水为什么是自发过程?

对于化学反应,体系趋向于从高能状态转
变为低能状态(这时体系会对外做功或者
释放热量~△H ﹤     0)
因此:反应的焓变是制约化学反应是否自
发进行的因素之一。
      一、 能量判据
      反应焓变与反应方向
• 体系趋向于从高能状态转变为低能状态(这时
  体系会对外做功或者释放热量~△H ﹤0)。
 多数能自发进行的化学反应是放热反应,
 如常温、常压下,氢氧化亚铁被氧化为氢氧化
 铁的反应是自发的,反应放热∶                                

 4Fe(OH)2(s) + 2H2O(l) + O2(g) = 4Fe(OH)3(s);
                           △H=-444.3KJ/mol
放热反应过程中体系能量降低,因此具有
自发进行的倾向,------- 焓(△H)判据
但是,有不少吸热反应也能自发进行,

如∶  NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)
              +CH3COONH4(aq)+H2O(l);
                    △H(298K)=+37.3KJ/mol
       还有一些吸热反应在室温条件下不能自发
进行,但在较高温度下则能自发进行,如在室
温下吸热反应的碳酸钙分解反应不能自发进行
,但同样是这个吸热反应在较高温度(1200K
)下则能自发进行。
          由此可见

• 运用能量判据主要依据反应焓变,
  而焓变(△H)的确是一个与反应
  能否自发进行的因素,但不是决定
  反应能否自发进行的唯一因素。
 同一种物质,其气态时会通过分子的扩散自
 发形成均匀的混合物
 硝酸铵溶于水要吸热,但它能自发向水中
 扩散
火柴棒散落
 墨水扩散
     由有序变为无序
 •为了解释这样一类与能量状态的高低无关
  的过程的自发性,提出了在自然界还存在
  着另一种能够推动体系变化的因素→熵
二、熵判据
      反应熵变与反应方向
• 1、在密闭条件下,体系由有序自发地转变为
 无序的倾向~称为熵。
• 2、符号用S表示。
• 3、熵值越大,体系混乱度越大。
         同一物质,S(g)﹥  S(l)﹥  S(s)。
• 与有序体系相比,无序体系“更加稳定”
可以采取更多的存在方式。由大量粒子组
成的体系中,用熵来描述体系的混乱。
   4、熵变和熵增原理
• (1)熵变(△S)∶化学反应中要发生物质的
 变化或物质状态的变化,因此存在着熵变。    

•  △S=S反应产物-S反应物
•         产生气体的反应、气体物质的物质的量增
 大的反应,熵变通常都是正值( △S >0),
 为熵增加的反应。许多熵增反应在常温常压下
 能自发进行,有些在室温条件下不能自发进行
 ,但在较高温度下则能自发进行。     
• (2)在与外界隔离的体系中,自发过程将导
 致体系的熵增大,这个原理叫做熵增原理。该
 原理是用来判断过程的方向的又一个因素,
• 又称为熵判据。
  5、焓判据和熵判据的应用
• 1、由焓判据知∶放热过程(△H﹤          0)常常是容易自
  发进行;
• 2、由熵判据知∶若干熵增加(△S﹥           0)的过程是自
  发的;
•  -10℃的液态水能自动结冰成为固态、铝热反应是
  熵减反应,它在一定条件下也可自发进行。因此熵
  判据判断过程的方向也是不全面的
• 3、很多情况下,简单地只用其中一个判据去判断同
  一个反应,可能会出现相反的判断结果,所以我们
  应两个判据兼顾。由能量判据(以焓变为基础)和
  熵判据组合成的复合判据-自由能将更适合于所有
  的反应过程。
 三、焓变与熵变对反应方向的共同影响∶
    (复合判据----自由能变化△G)
• 在一定条件下,一个化学反应能否自发进行
  ,既可能与反应焓变(△H)有关,又可能
  与反应熵变(△S)有关。在温度、压强一
  定的条件下,我们要判别化学反应的方向要
  考虑△H、 △S共同影响的结果。
•                   反应焓变(能量判据)
• 反应方向                      复合判据
•                   反应熵变(熵判据)
•  (复合判据----自由能变化△G)
1、体系自由能变化
(符号∆G,单位为kJ/mol)综合考虑了焓变和
熵变对体系的影响:        ∆G=∆H—T∆S
      这是恒温恒压下判断化学反应自发进行的判
据,它不仅与焓变和熵变有关,还与温度有关,
由上述关系式可推知:
2、反应进行方向的判断方法:
    ∆G =∆H—T∆S<0 (即∆H<0, ∆S>0)的反应
能自发进行。
    ∆G =∆H—T∆S=0  反应达到平衡状态
    ∆G= ∆H—T∆S>0 (即∆H>0, ∆S<0)反应不
能自发进行。       
当∆H>0, ∆S>0 ,或∆H<0 ,∆S<0 时,反应是否自发
进行与温度有关,一般低温时焓变影响为主,高
温时,熵变影响为主,而温度影响的大小要∆H、
 ∆S的具体数值而定。

3、过程的自发性只能用于判断过程的方向,不能
确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。如涂
有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件,其发生腐蚀过
程的自发性是相同的,但只有后者可以实现。
4、吉布斯自由能判断反应自发进行的方向
             △G= △H -T△S 


判断这两个反     NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s) 
应什么条件下
自发进行       △H<0   △S < 0 低温可行

           CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
           △H >0    △S>0 高温可行
                  典例剖析∶
• 例1   下列过程是非自发的是∶(  D  )
• A、水由高处向低处流;    B、天然气的燃烧;
• C、铁在潮湿空气中生锈;D、室温下水结成冰

• 例2    碳酸铵〔(NH4)2CO3〕在室温下就能自发地分解
  产生氨气,对其说法中正确的是∶(  A  )
• A、其分解是因为生成了易挥发的气体,使体系的熵
  增大;
• B、其分解是因为外界给予了能量;
• C、其分解是吸热反应,据能量判据不能自发分解;D
  、碳酸盐都不稳定,都能自发分解。
• 3、下列说法正确的是∶(    D        )
• A、放热反应一定是自发进行的反应;
• B、吸热反应一定是非自发进行的;
• C、自发进行的反应一定容易发生;
• D、有些吸热反应也能自发进行。
• 4、250C和1.01×105Pa时,反应         

• 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g);  
• △H=+56.76kJ/mol,自发进行的原因是∶        D
• A、是吸热反应;B、是放热反应;
• C、是熵减少的反应;
• D、熵增大效应大于能量效应。
   规律方法总结

 自发反应中的焓变和熵变的关系:

1、放热的自发过程可能是熵减小的过程,如铁生锈、
氢气燃烧等;也可能是熵无明显变化或增加的过程,
如甲烷燃烧、氢气和氯气化合等。

2、吸热的自发过程是熵增加的过程,如冰的融化、
硝酸铵溶于水等。

3、无热效应的自发过程是熵增加的过程,如两种理想
气体的混合等。
例3:下列说法正确的是(  C   )
A、凡是放热反应都是自发的,吸热反应都是非自发性的
B、自发反应一定是熵增大,非自发反应一定是熵减小或
不变
C、自发反应在恰当条件下才能实现。
D、自发反应在任何条件下都能实现。

  解析:放热反应常常是容易进行的过程,吸热反应
  有些也是自发的;自发反应的熵不一定增大 ,可能
  减少,也可能不变。如Fe生锈、H2燃烧的过程是熵
  减小的过程,NH4NO3晶体溶于水,NH4HCO3分解
  是熵增的过程。H2和Cl2混合反应熵基本不变的过程
  。自发性只能用于判断过程的方向,是否能实现还
  要看具体的条件。
 练习题:
 1、科学家根据体系存在着力图使________________自身能量趋于“最低”
 和_______________“有序”变为“无序” 的自然现象,提出了相互关联的
能量判据________和_________熵判据 ,为最终解决上述问题提供了必
 要的理论根据。试分别举一例_________________铁在潮湿空气中生锈 ,
 ___________硝酸铵溶于水。

 2、以下自发反应可用能量判据来解释的是(   D     )
 A、硝酸铵自发地溶于水

 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
3.下列说法中,正确的是    (AB    )
  A.化学反应总是伴随着能量变化的
  B.能够自发进行的反应不一定都是放
 热反应
  C.只有放热反应才能够自发进行
  D.能够自发进行的反应就一定能够发
 生并完成
4.下列物质中,熵值(S)最大的是    ( C   )

  A.金刚石              B.Cl2(l)   

  C.I2(g)               D.Cu(s)
5.水在273 K、1.01×105Pa时可转化为固态,
 在373 K时则又可转化为气态。若分别用S(g)、
 S(1)、S(s)表示水的气、液、固三种状态的熵
 值,则下列表达式中,正确的是    (    )        B
  A.S(g)S(1)>S(s)
  C.S(g)>S(1)= S(s)           D.S(g)>S(s)>S(1)

 6、有关化学反应的说法,正确的是(  D     )
 A、自发反应都是放热反应
 B、自发反应都是熵增大的反应
 C、自发反应一定能实现
 D、非自发反应在一定条件下能实现
4.已知反应2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (1)  
 ∆H = _285.8 kJ·mol-1,下列结论中,
 正确的是    (AC    )
  A.E(反应物)>E(生成物)   
  B.E(反应物) ∆H/ ∆S
  T> -402000J.mol-1/345.7J/mol.K=-1163K
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心”。九尾的眼睛闪过一丝阴霾,一瞬间又被担忧所取代,红色的瞳转瞬间被棕色取代。九尾和妈妈一同消失在夜空中。我看
到了那个叫做暮笙的男人,这整个时间似乎都与他有关。应龙说:“你以为他们逃得掉吗”。暮笙的眼睛变成了绿色,周围狂
风大作,尘土飞扬,空气涌动,周围的气流变成了有形的气体,在古宅周围汇集成一面流动的旋涡。暮笙飞身进入旋涡之中,
应龙紧跟其后。他们来到了另一个地方,一望无际的草原。视野开阔。暮笙手腕上的那个黑色的刺青,这个刺青像一条龙,仔
细看是蒲牢,蒲牢传说中龙生九子中的四子,形状像龙,但比龙小,生活在海边。在暮笙的手上呈环形形成一个手镯。此时它
变成了一把黑色的剑。剑气凌厉,亮不刺目,散发着淡淡青光。手握黑剑,脚踏七星,顿时天雷地火附于剑上。天地间一片萧
杀,雷声滚滚。剑直接刺向应龙的天灵盖之处。应龙也毫不示弱,它身上的每一个鳞片都锋利的如刀片一般,在应龙的前面空
气凝结成了无数细长的如水晶一般的针刺向暮笙,暮笙的那把黑剑悬浮在暮笙的前面并形成了一面屏障。此时四周的空气似乎
都是抖动的,暮笙大喝一声:“拔”。只见地面平地拔起了无数的巨石山棱往应龙的方向冲过去,应龙的肺部开始越来越鼓,
最后从嘴里吹出了一阵大风,就像铁扇公主的铁扇一样。使应龙与巨石拉开了距离。巨石变幻出了无数的虫飞向了应龙,这些
虫有的有翅膀,想甲虫一样,有的像蚂蟥一样。在应龙的上方也掉落了许多红色的小蛇。应龙的整个身体都被虫子和蛇包裹住
了。所有的虫子嘴里都有一根弯弯的倒刺他们沿着应龙鳞片缝隙的位置**去,然后钻进应龙的身体里,现在,应龙的身体已经
开始有一个个的小鼓点了。甲虫所到之处,应龙的鳞片收缩。红色的小蛇头顶有像孔雀一样的冠,直直的竖着,张开嘴发出那
獠牙比蛇的头大,尖锐的牙齿扎进应龙的鳞片下,被咬的那部分瞬间变黑,开始鼓起一个疙瘩接着像炸弹一样爆开,黑色的水
四溅开来,不一会身体已经开始出现大大小小的血洞。应龙不断地咆哮,身体就像痉挛一样,各处经脉在全身鼓动,一条条蛇
一样的东西在应龙身上游走。应龙不断吸气,身体不断膨胀并且比以前大了一倍,轰的一声,应龙身上燃烧着熊熊的火焰,所
有的甲虫,蛇,蚂蟥烧得纷纷掉落,焦黑的滚在地上,空气中弥漫着一股烧焦的味道。应龙在天空四处飞舞。似乎在水里一样
,空气起了波纹,一圈一圈的,四散开来。应龙的身体似乎撞进了一面透明的墙里,应龙的周围出现了几个小小的漩涡。应龙
整个的进入到里面,暮笙也尾随着进去了。他们又回到了古宅里,应龙像壁虎一样倒趴在房顶上向地面喷着火,那火如龙迅速
席卷了整个房间。暮笙才刚出现,一条火龙向他这个方向狂奔而
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