选修四：化学反应进行的方向》1

1、第二章第二章 化学反应速率和化学平衡化学反应速率和化学平衡第四节第四节 化学反应进行的方向化学反应进行的方向教师：黄端鸿化学反应进行的快慢化学反应的限度化学反应进行的方向化学反应速率化学平衡 ?化学反应原理的组成部分化学反应原理的组成部分 这些生活中的现象将向何方发展，我们非常清楚，因为它们有明显的自发性其中是否蕴藏了一定的科学原理？自然界中水总是从高处往低处流；自然界中水总是从高处往低处流； 墨水扩散，食盐溶解于水墨水扩散，食盐溶解于水1、生活中的自发过程、生活中的自发过程 生活中电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动生活中电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动.生活中一般在室温下，冰块

2、会融化；铁器暴露在潮湿空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。过程都是自发的。那么我们该如何判断一个过程，一个反应能否自发进行呢？那么我们该如何判断一个过程，一个反应能否自发进行呢？一个过程或者一个反应要自发的进行是否要符合什么条件一个过程或者一个反应要自发的进行是否要符合什么条件呢？呢？以上过程的反方向都不会自发进行以上过程的反方向都不会自发进行 ？1.1.自发过程自发过程: :在在一定条件下一定条件下不需外力作用不需外力作用就就能自动进行能自动进行的的过程过程. .

3、 自发过程的特征自发过程的特征：有明确的有明确的方向性方向性，具有做功的本领。，具有做功的本领。要逆转必须借助外界做功。要逆转必须借助外界做功。2.2.非自发过程非自发过程 ：在：在一定条件一定条件下，下，需要持续借助人为作用需要持续借助人为作用力力才能进行的过程。才能进行的过程。3. 3. 自发反应自发反应: :在在一定条件下一定条件下无需外界帮助就能自动进行的无需外界帮助就能自动进行的反应反应. .自发反应是从属于自发过程的，是属于自发过程的一部分。自发反应是从属于自发过程的，是属于自发过程的一部分。说明说明：(1)自然界中水由高处往低处流是自发自然界中水由高处往低处流是自发过程，其逆过程

4、就是非自发过程，甲烷与氧过程，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，其逆向是非气混合遇火就燃烧是自发反应，其逆向是非自发反应。自发反应。 (2)自发过程和自发反应可被利用来完成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有用功。如向下流动的水可推动机器 ，甲烷，甲烷燃烧可在内燃机中被利用来做功，可将氢气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。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

5、氢气和氧气。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。可以把水从低水位升至高水位。(5)反应的自发性也受外界条件的影响。如常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，但在自发性的，但在1273K时，这一反应就是自时，这一反应就是自发的反应。发的反应。下列反应在一定条件下都能自

6、发进行，你知道这下列反应在一定条件下都能自发进行，你知道这些反应能自发进行的主要原因吗？些反应能自发进行的主要原因吗？C C3 3H H8 8(g) + 5O(g) + 5O2 2(g) = 3CO(g) = 3CO2 2(g) + 4H(g) + 4H2 2O(l) O(l) H = -2217.5 kJH = -2217.5 kJmolmol-1-12Na(s) + Cl2Na(s) + Cl2 2(g) = 2NaCl(s) (g) = 2NaCl(s) H = -822 kJH = -822 kJmolmol-1-14Fe(s) + 3O4Fe(s) + 3O2 2(g) = Fe(g

7、) = Fe2 2O O3 3(s)(s) H = -1648.4 kJH = -1648.4 kJmolmol-1-1H H2 2(g) + F(g) + F2 2(g) = 2HF(g)(g) = 2HF(g) H = -546.6 kJH = -546.6 kJmolmol-1-1 共同特点：共同特点：H O H O 即放热反应即放热反应放热反应使体系能量降低，能量越低越放热反应使体系能量降低，能量越低越稳定，稳定，H O H O 有利于反应自发进行有利于反应自发进行反应物的总能量反应物的总能量高高生成物的总能量生成物的总能量低低放热反应放热反应H H0 0化学反应进行方向的判据化学反应

8、进行方向的判据高能状态高能状态低能状态低能状态思考：是不是所有自发进行的化学思考：是不是所有自发进行的化学 反应都是放热的？反应都是放热的？结论：结论：H OH O有利于反应自发进行，有利于反应自发进行， 但自发反应不一定要但自发反应不一定要H OH O2NH4Cl(s)+Ba(OH)28 H2O(s)=NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l) 焓变只是反应能否自发进行的一个因素焓变只是反应能否自发进行的一个因素, ,但不是惟但不是惟一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。H H O O2N2O5(g) 4NO2(g)+O2(g) (NH

9、4 )2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) 墨墨水水滴滴入入水水中中气气体体的的扩扩散散固固体体的的溶溶解解火柴的散落火柴的散落由有序变为无序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着另一种能够推动体系变化的因素熵熵反应熵变与反应方向反应熵变与反应方向 1 1、在密闭条件下，体系由有序自发地转变为、在密闭条件下，体系由有序自发地转变为无序的倾向无序的倾向称为称为熵熵。 2 2、符号用、符号用S S表示。表示。 3 3、熵值越大，体

10、系混乱度越大。、熵值越大，体系混乱度越大。 二、熵判据二、熵判据1 1、同一物质气态时熵值、同一物质气态时熵值最大最大，液态，液态较小较小，固态时，固态时最小最小。 S（g）S（l）S（s）。）。2 2、固体的、固体的溶解溶解过程、墨水过程、墨水扩散扩散过程和气体过程和气体扩散扩散过程。过程。3 3、反应过程中气体物质的量、反应过程中气体物质的量增加增加的反应。的反应。反应熵变与反应方向反应熵变与反应方向二、熵判据二、熵判据 与有序体系相比，无序体系与有序体系相比，无序体系“更加稳定更加稳定”可以采取更多的存可以采取更多的存在方式。由大量粒子组成的体系在方式。由大量粒子组成的体系中，用熵来描述

11、体系的混乱程度。中，用熵来描述体系的混乱程度。4 4、熵变和熵增原理、熵变和熵增原理 （1 1）熵变（）熵变（S S）反应的熵变为产物总熵与反应反应的熵变为产物总熵与反应物总熵之差。对于确定的化学反应，在一定条件下物总熵之差。对于确定的化学反应，在一定条件下具有确定的熵变。具有确定的熵变。 (2)(2)表达式表达式: :S =S(S =S(生成物生成物) S () S (反应物反应物) ) 产生气体的反应、气体物质的物质的量增大产生气体的反应、气体物质的物质的量增大的反应，熵变通常都是正值（的反应，熵变通常都是正值（ S S 0 0），为熵增），为熵增加的反应。加的反应。许多熵增反应在常温常压

12、下能自发进行，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。则能自发进行。 （3 3）在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系）在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这一经验规律叫做的熵增大，这一经验规律叫做熵增原理熵增原理。在用来判。在用来判断化学反应方向时就称为断化学反应方向时就称为熵判据熵判据 。自发过程的体系趋向于由有序转变为无序，导致体自发过程的体系趋向于由有序转变为无序，导致体系的熵增大，这一经验规律叫做系的熵增大，这一经验规律叫做，也就是，也就是反应方向判断的反应方向判断的注意

13、：注意：（1）熵变只是反应能否自发进行的一种因素；）熵变只是反应能否自发进行的一种因素；（2）熵变（）熵变（S）只决定于体系的始态和终态，与变）只决定于体系的始态和终态，与变化的途径无关；化的途径无关；（3）熵判据只判断一定条件化学反应能否自发进行，）熵判据只判断一定条件化学反应能否自发进行，与化学反应速率无关。与化学反应速率无关。 总结：自发过程的两大变化趋势：总结：自发过程的两大变化趋势： （1）能量趋于减小）能量趋于减小(焓减）焓减） （2）混乱度趋于增大（熵增）混乱度趋于增大（熵增）5 5、焓判据和熵判据的应用、焓判据和熵判据的应用 1 1、由焓判据知、由焓判据知放热过程（放热过程（H

14、 H0 0）常常是容易自）常常是容易自发进行；发进行； 2 2、由熵判据知、由熵判据知若干熵增加（若干熵增加（S S0 0）的过程是自）的过程是自发的；发的； -10-10的液态水能自动结冰成为固态、铝热反应是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。熵减反应，它在一定条件下也可自发进行。因此熵因此熵判据判断过程的方向也是不全面的判据判断过程的方向也是不全面的 3 3、很多情况下，简单地只用其中一个判据去判断同、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应两个判据

15、兼顾兼顾。由能量判据（以焓变为基础）和。由能量判据（以焓变为基础）和熵判据组合成的熵判据组合成的复合判据复合判据( (吉布斯吉布斯自由能变自由能变G G) ) 将将更适合于所有的反应过程。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三、焓变与熵变对反应方向的共同影响 1、用焓变和熵变的复合判据判断反应的方向 体系的自由能变化（符号为G G ，单位为kJmolkJmol-1-1）综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于化学反应自发进行方向的判断：G=G=H-TH-TS S当当G0G0G0时，反应不能自发进行时，反应不能自发进行当当G= 0 G= 0 反应达平衡状态反应达平衡状态结合

16、教材结合教材P36P36“科学视野科学视野” 理解思考理解思考 2、用符合判据判断反应方向的有关规律放热的熵增反应一定能自发进行，放热的熵减小反应或熵无明显变化的反应，也可能自发进行，如氢气的燃烧、甲烷的燃烧等。吸热的熵减小反应一定不能自发进行，而吸热的自发过程一定是熵增加的过程，如：冰的融化。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。当焓变和熵变的作用相反时，如果而这相差悬殊，可能某一因素占主导地位。此外，如果熵变和焓变的作用相反且相差不大时，温度有可能对反应的方向起决定作用。根据根据G0G0判断的只是反应能否自发进行的可能性，具判断的只是反应能否自发进行的可能性，具体的反应能

17、否实际发生，还涉及化学反应速率等问题。体的反应能否实际发生，还涉及化学反应速率等问题。2KClO2KClO3 3(s)=2KCl(s)+3O(s)=2KCl(s)+3O2 2(g)(g)H = -78.03 kJmolH = -78.03 kJmol-1-1S = 494.4 JmolS = 494.4 Jmol-1-1KK-1-1CO(g)=C(s,CO(g)=C(s,石墨石墨)+1/2O)+1/2O2 2(g)(g)H = 110.5 kJmolH = 110.5 kJmol-1-1S = -89.36 JmolS = -89.36 Jmol-1-1KK-1-14Fe(OH)4Fe(OH)

18、2 2(s)+2H(s)+2H2 2O(l)+OO(l)+O2 2(g)=4Fe(OH)(g)=4Fe(OH)3 3(s)(s)H = -444.3kJmolH = -444.3kJmol-1-1S = -280.1 JmolS = -280.1 Jmol-1-1KK-1-1H (298K)= 178.2 kJmolH (298K)= 178.2 kJmol-1-1S (298K)= 169.6 JmolS (298K)= 169.6 Jmol-1-1KK-1-1CaCOCaCO3 3(s) = CaO(s)+CO(s) = CaO(s)+CO2 2(g)(g)1 1反应的自发性只能用于判断反

19、应的方向反应的自发性只能用于判断反应的方向，不能确，不能确定反应是否一定会发生和过程发生的速率。例如涂定反应是否一定会发生和过程发生的速率。例如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，二者发生腐蚀有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，二者发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。【注意注意】2 2在讨论过程的方向时，在讨论过程的方向时，指的是没有外界干扰时体指的是没有外界干扰时体系的性质系的性质。如果允许外界对体系施加某种作用，就。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。例如水泵可以把水从低水位可能出现相反的结果。例如水泵可以把水从低水位升至

20、高水位；高温高压下可以使石墨转化为金刚石，升至高水位；高温高压下可以使石墨转化为金刚石，实现的先决条件是要向体系中输入能量，该过程的实现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。本质仍然是非自发性的。影响因素：影响因素：化学反应的方向化学反应的方向 反应焓变反应焓变 反应熵变反应熵变共同影响共同影响吸热吸热放热放热熵增熵增熵减熵减焓减小有利于反应自发，熵增大有利于反应自发焓减小有利于反应自发，熵增大有利于反应自发温度温度【课堂测试】1 1、下列过程是非自发的是、下列过程是非自发的是（ ）A A、水由高处向低处流；水由高处向低处流； B B、天然气的燃烧；天然气的燃烧；C C

21、、铁在潮湿空气中生锈；铁在潮湿空气中生锈； D D、室温下水结成冰。室温下水结成冰。2 2、碳酸铵（、碳酸铵（NHNH4 4）2 2COCO3 3在室温下就能自发地分解产生氨在室温下就能自发地分解产生氨气，对其说法中正确的是气，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；其分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大；B B、其分解是因为外界给予了能量；其分解是因为外界给予了能量；C C、其分解是吸热反应，据能量判据不能自发分解；其分解是吸热反应，据能量判据不能自发分解；D D、碳酸盐都不稳定，都能自发分解。碳酸盐都不稳定，都能自发分解。D DA A3 3、

22、下列说法正确的是、下列说法正确的是（ ）A A、凡是放热反应都是自发的，由于吸热反应都是非自发的；凡是放热反应都是自发的，由于吸热反应都是非自发的；B B、自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减少或不变；自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减少或不变；C C、自发反应在恰当条件下才能实现；自发反应在恰当条件下才能实现；D D、自发反应在任何条件下都能实现。自发反应在任何条件下都能实现。4 4、自发进行的反应一定是、自发进行的反应一定是（ ）A A、吸热反应；吸热反应； B B、放热反应；放热反应；C C、熵增加反应；熵增加反应； D D、熵增加或者放热反应。熵增加或者放热反应。C CD

23、 D5 5、下列说法不正确的是（、下列说法不正确的是（ ）A. A. 焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数的能自发进行的反应都是放热反应。多数的能自发进行的反应都是放热反应。B. B. 在同一条件下不同物质有不同的熵值，其体系在同一条件下不同物质有不同的熵值，其体系的混乱程度越大，熵值越大。的混乱程度越大，熵值越大。C. C. 一个反应能否自发进行取决于该反应放热还是一个反应能否自发进行取决于该反应放热还是吸热吸热D. D. 一个反应能否自发进行，与焓变和熵变的共同一个反应能否自发进行，与焓变和熵变的共同影响有关影响有关E.E.非自发反应在一定条件下能实现非自发反应在一定条件下能实现C C6 6、以下自发反应可用能量判据来解释的是、以下自发反应可用能量判据来