《化学反应的方向》案例(陈懿)

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南京外国语学校南京外国语学校 陈懿陈懿人教版选修人教版选修4 4 案例案例 学习研究学习研究(1)(1)为什么要学习为什么要学习化学反应进行的方向化学反应进行的方向？ 如何理解如何理解化学反应进行的方向化学反应进行的方向？(2)(2)新教材引入新教材引入化学反应进行的方向化学反应进行的方向有何有何理论理论意义和意义和现实现实意义？意义？(3)(3)创设怎样的创设怎样的情境情境组织学生探究学习组织学生探究学习? ?(4)(4)吉布斯吉布斯- -亥姆霍兹公式是否引入亥姆霍兹公式是否引入?

2、?如何处理如何处理 ? ?一、教材分析一、教材分析 教材从学生已有的知识和生活经验出发，分四个教材从学生已有的知识和生活经验出发，分四个层次就化学反应的方向进行了介绍。层次就化学反应的方向进行了介绍。(1)(1)以学生熟悉的自发进行的放热反应为例，介绍化以学生熟悉的自发进行的放热反应为例，介绍化学反应有向能量降低的方向自发进行的倾向学反应有向能量降低的方向自发进行的倾向焓判焓判据据；以生活现象为例，说明混乱度（熵）增加是自然；以生活现象为例，说明混乱度（熵）增加是自然界的普遍规律，也是化学反应自发进行的一种倾向界的普遍规律，也是化学反应自发进行的一种倾向熵判据熵判据。(2)(2)用实例说明单独

3、运用上述判据中的任何一种用实例说明单独运用上述判据中的任何一种, ,都是都是不全面的。不全面的。(3)(3)要正确的判断化学反应的方向，需要综合考要正确的判断化学反应的方向，需要综合考虑焓变和熵变的复合判据。这一判据的虑焓变和熵变的复合判据。这一判据的推导推导是是大学化学的内容，需留待以后学习。大学化学的内容，需留待以后学习。（4 4）简）简单介绍了自由能判据的结论性内容。单介绍了自由能判据的结论性内容。人教版人教版 科学视野科学视野二、学情分析：二、学情分析： 化学反应进行的方向化学反应进行的方向内容第一次出现在新教材内容第一次出现在新教材的课本中，主要介绍了自发反应、焓判据、熵判据及的课本

4、中，主要介绍了自发反应、焓判据、熵判据及简单了解自由能（简单了解自由能（G=H-TS），对高中学生来说，），对高中学生来说，有一定难度。在学生学习了化学反应及其能量变化、有一定难度。在学生学习了化学反应及其能量变化、化学反应速率和化学平衡之后，从学生的基础出发，化学反应速率和化学平衡之后，从学生的基础出发，教学中应回避相关判据的理论推导，力争通过此内容教学中应回避相关判据的理论推导，力争通过此内容的学习，让学生了解决定反应进行方向的因素不是单的学习，让学生了解决定反应进行方向的因素不是单一的焓变，熵变也是决定因素之一。了解自由能判据一的焓变，熵变也是决定因素之一。了解自由能判据的结论性内容。的

5、结论性内容。三、教学思路设计三、教学思路设计 本节课的授课强调以学生为中心，学生已知道很本节课的授课强调以学生为中心，学生已知道很多化学反应并已了解反应的放热、吸热情况，运用这多化学反应并已了解反应的放热、吸热情况，运用这些已知的知识，引导学生得出相关判据，些已知的知识，引导学生得出相关判据，突出突出“熵熵”的概念的形成。的概念的形成。 由生活中的自发过程由生活中的自发过程自发反应自发反应自发过程进行自发过程进行的趋势的趋势化学反应中的能量变化化学反应中的能量变化焓判据（引出矛盾）焓判据（引出矛盾）混乱度混乱度熵的概念及判据熵的概念及判据如何将两者结合起来如何将两者结合起来介绍吉布斯自由能公式

6、及应用等。介绍吉布斯自由能公式及应用等。 这种以学生的这种以学生的“学学”为中心的教学方式有利于学为中心的教学方式有利于学生掌握和理解本节知识。生掌握和理解本节知识。四、教学目标：四、教学目标：1 1、知识与技能：、知识与技能：（1 1）能够判断日常生活中的自发、非自发过程）能够判断日常生活中的自发、非自发过程及通过熟悉的化学反应判断自发、非自发反应。及通过熟悉的化学反应判断自发、非自发反应。（2 2）能用焓变和熵变说明化学反应进行的方向能用焓变和熵变说明化学反应进行的方向，能通过化学反应给出的能通过化学反应给出的H H、S S，运用等温、等，运用等温、等压下化学反应方向的判据判断化学反应是否

7、发生。压下化学反应方向的判据判断化学反应是否发生。（3 3）能简单了解吉布斯自由能公式的意义及其）能简单了解吉布斯自由能公式的意义及其在化学实际中的指导意义。在化学实际中的指导意义。 2 2、过程与方法：、过程与方法：（1 1）通过学生感受自发过程及联想实际生活）通过学生感受自发过程及联想实际生活中的知识，认识新知识与旧知识之间的联系，中的知识，认识新知识与旧知识之间的联系，从中感受知识是怎样形成的。从中感受知识是怎样形成的。（2 2）从学生的已有知识和生活经验出发，学）从学生的已有知识和生活经验出发，学会运用比较、归纳、概括等方法对信息进行加会运用比较、归纳、概括等方法对信息进行加工，培养学

8、生思维的批判性和严谨性。工，培养学生思维的批判性和严谨性。（3 3）学会运用矛盾论的思想解决焓变、熵变）学会运用矛盾论的思想解决焓变、熵变对自发过程的共同影响问题。对自发过程的共同影响问题。3 3、情感态度与价值观：、情感态度与价值观：（1 1）通过本节内容的学习，使学生体会事物）通过本节内容的学习，使学生体会事物的发展、变化常常受多种因素的制约，要学会的发展、变化常常受多种因素的制约，要学会客观地、全面地分析问题。客观地、全面地分析问题。(2)(2)让学生体会化学的魅力，体验化学科学对让学生体会化学的魅力，体验化学科学对个人生活和社会发展的贡献，逐步形成可持续个人生活和社会发展的贡献，逐步形

9、成可持续发展的思想。发展的思想。五、教学重难点五、教学重难点 焓减与熵增与化学反应方向的关系。焓减与熵增与化学反应方向的关系。六、教学方法：自主探究学习六、教学方法：自主探究学习七、课堂教学设计七、课堂教学设计 城市中越来越多的汽车城市中越来越多的汽车情景引入情景引入情景引入：情景引入： 汽车尾气是现代城市中大气污染的重要来源汽车尾气是现代城市中大气污染的重要来源,有人有人提出如下方案进行尾气治理：提出如下方案进行尾气治理： 2NO+2CO = N2+ 2CO2 你能否判断此方案是否可行？你能否判断此方案是否可行？（提出研究化学反应方向的意义）（提出研究化学反应方向的意义）水总是自发地由高处往

10、低处流水总是自发地由高处往低处流有趋向于最低能量状态的倾向有趋向于最低能量状态的倾向 引导学生思考：为什么水总是自发地由引导学生思考：为什么水总是自发地由高处往低处流？高处往低处流？ 感悟有趋向于最低能量状态的倾向感悟有趋向于最低能量状态的倾向学生做小实验学生做小实验: :1.1.将一滴墨水滴进半杯清水中；将一滴墨水滴进半杯清水中；2.2.将充气气球的弹簧夹松开；将充气气球的弹簧夹松开；3.3.打开盛醋的瓶子的瓶塞。打开盛醋的瓶子的瓶塞。 感受自发过程感受自发过程 Cu和和AgNO3反应反应NaOH和和HCl反应反应引导学生回顾已学过的一些反应引导学生回顾已学过的一些反应,思考这些反思考这些反

11、应能否自发发生应能否自发发生?NaNa投入投入H H2 2O O中中铁生锈铁生锈初步感知自发反应初步感知自发反应 Cu(s)+2AgNO3(aq)=Cu(NO3)2(aq)+2Ag (s) H= -181.75 kJmol-1 NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) H= -57.3 kJmol-1 2Na(s)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+H2(g) H= -636.1 kJmol-1Fe(s) Fe2O3 (aq)H= -790.7 kJmol-1 给出四个反应的热化学方程式,引导学生分析反应的共同点:初步判断：上述初步判断：上述能自发进行的反应的共性：从

12、高能能自发进行的反应的共性：从高能态趋向低能态或都是放热反应（态趋向低能态或都是放热反应（ H 0） 能自发进行的过程：能自发进行的过程：？自发反应自发反应是指在是指在一定条件下一定条件下无需外界无需外界帮助就能自动进行的反应。帮助就能自动进行的反应。或放热反应（或放热反应（ H H 0 0）从高能态趋向低能态从高能态趋向低能态 1919世纪的化学家曾认为决定化学反世纪的化学家曾认为决定化学反应能够自发进行的因素是反应的焓应能够自发进行的因素是反应的焓变，即放热反应（变，即放热反应（ H H 0 0）可以）可以自发进行，而吸热反应则不能。你自发进行，而吸热反应则不能。你同意这种观点吗？能否举例

13、说明？同意这种观点吗？能否举例说明？设问：设问： 感受科学发现的历程，强化思维与方法的训练感受科学发现的历程，强化思维与方法的训练 下列反应在一定条件下都能自发进行，下列反应在一定条件下都能自发进行，通过表中提供的数据你能得出什么结论？通过表中提供的数据你能得出什么结论？ 提供资料：提供资料： 学生自主、合作、探究，对信息进行科学加工学生自主、合作、探究，对信息进行科学加工2NH4Cl(s)+Ba(OH)2(s)= BaCl2(s)+ 2NH3(g)+2H2O(l) 学生回忆思考学生回忆思考:通过对以上信息的分析和实验的回顾通过对以上信息的分析和实验的回顾,初步认识初步认识有些吸热反应也能自发

14、进行，从而得出结论有些吸热反应也能自发进行，从而得出结论:只只根据焓变来判断反应进行的方向（焓判据）是不根据焓变来判断反应进行的方向（焓判据）是不全面的。全面的。 此反应此反应是常温下的吸热反应是常温下的吸热反应 NH4NO3(s)溶于水溶于水,吸热过程。吸热过程。 NH4NO3(s)自发向水中扩散，体系自发向水中扩散，体系从有序自发的转变为无序的倾向。从有序自发的转变为无序的倾向。引导学生回忆实验引导学生回忆实验: 如何理解吸热过程也能自发进行？如何理解吸热过程也能自发进行？有趋向于最大混乱度的倾向有趋向于最大混乱度的倾向引导学生活动：玩扑克。引导学生活动：玩扑克。从有序排列的火柴散落时成为

15、无序排列，体验从有序排列的火柴散落时成为无序排列，体验从有序到无序的过程，有趋向于最大混乱度的从有序到无序的过程，有趋向于最大混乱度的倾向倾向 引入熵的概念引入熵的概念描述体系混乱（或有序描述体系混乱（或有序)的程度的物理量。的程度的物理量。 符号：符号：S，单位：，单位：Jmol-1K-1 。 请你谈谈生活中混乱度增加（熵请你谈谈生活中混乱度增加（熵增）的现象？增）的现象？初步感悟初步感悟熵增是自然界的普遍规律熵增是自然界的普遍规律熵增是自然界的普遍规律。熵增是自然界的普遍规律。 水的三态的熵（水的三态的熵（S Sm m表示物质的量为表示物质的量为1mol1mol）Sm（s） Sm（l） S

16、m（g）比较水三态熵的大小比较水三态熵的大小:学生动手实验：学生动手实验： NaOH(s)、 NH4NO3(s)、NaC1(s)和蔗糖和蔗糖 分别溶于水分别溶于水 NaOH(s) 溶于水溶于水 自发进行自发进行 放热过程放热过程 NH4NO3(s)溶于水溶于水 自发进行自发进行 吸热过程吸热过程NaC1(s)溶于水溶于水 自发进行自发进行 焓变微乎其微焓变微乎其微蔗糖溶于水蔗糖溶于水 自发进行自发进行 焓变微乎其微焓变微乎其微 在与外界隔离的体系中，自发过程导致在与外界隔离的体系中，自发过程导致体系熵增大，即熵变体系熵增大，即熵变（符号（符号S S） 大于大于零零 熵增原理熵增原理 判断反应方

17、向时称为熵判据判断反应方向时称为熵判据引入熵增原理：引入熵增原理： 熵增加过程：熵增加过程： 固体溶解、物质（如水）的汽化、固体溶解、物质（如水）的汽化、 墨水的扩散、气体的扩散等墨水的扩散、气体的扩散等引导学生小结引导学生小结熵增加过程：熵增加过程：得出得出:2NH4Cl(s)+Ba(OH)2(s)= BaCl2(s)+ 2NH3(g)+2H2O(l) S 0 熵增加的反应：熵增加的反应： （S 0S 0） 产生气体的反应产生气体的反应气体的物质的量增加的反应等气体的物质的量增加的反应等探究获得：探究获得： 根据下表的数据回答问题： 1.熵增反应一定能自发进行吗？ 2.能自发进行的反应一定是

18、熵增加反应吗？ 3.熵变对反应方向有什么影响？ 小组讨论：小组讨论： 将问题探究引向深入，认识熵变对化学反将问题探究引向深入，认识熵变对化学反应方向的一般影响规律，并发现新问题。应方向的一般影响规律，并发现新问题。 （2 2）自发反应一定是熵增加的反应吗？）自发反应一定是熵增加的反应吗？2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s) S=39.35Jmol-1K-1 结论：结论：S 0S 0有利于反应自发进行，有利于反应自发进行， 自发反应不一定要自发反应不一定要S 0S 0课堂交流课堂交流:熵变是反应能否自发进行一个因素熵变是反应能否自发进行一个因素, ,但不是惟一因但不是惟

19、一因素。素。 根据熵判椐，在密闭条件下，体系有由有序根据熵判椐，在密闭条件下，体系有由有序自发地变为无序的倾向。气态熵值大，反应沿自发地变为无序的倾向。气态熵值大，反应沿着从有序到无序方向进行。着从有序到无序方向进行。（1 1）发生离子反应条件之一是产生气体，利用熵）发生离子反应条件之一是产生气体，利用熵判椐进行解释？判椐进行解释？ 获得新结论：获得新结论：S 0S 0有利于反应自发进行，有利于反应自发进行， 自发反应不一定要自发反应不一定要S 0S 0。认识到熵变是反。认识到熵变是反应能否自发进行一个因素应能否自发进行一个因素, ,但不是惟一因素但不是惟一因素 能自发进行的化学反应：能自发进

20、行的化学反应： 放热反应放热反应？热效应为吸热反应能自发进行，如何热效应为吸热反应能自发进行，如何理解？理解？熵增加熵增加？ 2KClO3(s)=2KCl(s)3O2(g) H -78.03 KJmol-1 、 S= 494.4Jmol-1K-1 CO(g)=C(s,石墨石墨)1/2O2(g) H 110.5 KJmol-1 、 S= -89.36Jmol-1K-1 4Fe(OH)2(s)+2H2O(l) O2(g) = 4Fe(OH)3(s) H -444.3 KJmol-1 、 S= -280.1Jmol-1K-1NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+CH3COONH

21、4(aq)+H2O(l) H H +37.3 KJmol-1 、 S=184.0Jmol-1K-1引导学生分析资料，思考热效应为吸热反应能自发进行，引导学生分析资料，思考热效应为吸热反应能自发进行，如何理解？如何理解？ 通过探究，从焓变和熵变两个方面寻找通过探究，从焓变和熵变两个方面寻找反应自发的判断依据反应自发的判断依据 能量判据（焓判据能量判据（焓判据）体系趋向于从高能体系趋向于从高能状态转变为低能状状态转变为低能状态（态（H H 0 0）。）。获得并比较自发过程的判据：获得并比较自发过程的判据：一般情况下，一般情况下， 放热反放热反应（应（H 0H 0）易发生）易发生自发进行。但自发进行

22、自发进行。但自发进行的反应的反应不一定不一定H 0H 0 S 0 有利于有利于反应自发进行，反应自发进行，但自发反应但自发反应不一不一定定S 0 S 0 研究表明：在温度、压强一定的研究表明：在温度、压强一定的条件下，化学反应自发进行方向的条件下，化学反应自发进行方向的判据是判据是: :G = G = H - TH - TS S（ G 叫作吉布斯自由能）叫作吉布斯自由能）G = H - TS 0 反应能自发进行反应能自发进行G = H - TS 0 反应不能自发进行反应不能自发进行 G = H - TS 0 反应达到平衡状态反应达到平衡状态教师讲解：教师讲解： 认识复合判据认识复合判据 G=H

23、T SH 0任何温度都是任何温度都是自发自发反应反应H 0S 0S 0S0低温低温是非自发是非自发反应反应高温是高温是自发自发反应反应温温度度对对反反应应方方向向的的影影响响HS师生讨论得出：师生讨论得出：深化对复合判据的理解深化对复合判据的理解讨论讨论 对反应对反应CaCO3（s）= CaO（s）+ CO2（g）H = + 178.2 KJmol-1 S = +169.6 Jmol-1K-1 室温下能自发进行吗？室温下能自发进行吗？ 应用公式判断应用公式判断:室温下室温下：G =H-TS =128 KJmol-10因此，室温下反应不能自发进行。因此，室温下反应不能自发进行。化学反应进行方向的

24、判据化学反应进行方向的判据 、能量判据、能量判据(焓判据）：焓判据）：是判断化学反应进行方向的判据之一。是判断化学反应进行方向的判据之一。、熵判据：、熵判据：能量最低原理。能量最低原理。熵增原理。熵增原理。是判断化学反应进行方向的另一判据。是判断化学反应进行方向的另一判据。、复合判据：、复合判据：能量判据结合能量判据结合熵判据熵判据GHTS总结总结:影响影响因素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 根据尾气的成分，你希望发生怎样的根

25、据尾气的成分，你希望发生怎样的反应来减轻大气污染？反应来减轻大气污染？回顾新课引入的问题：回顾新课引入的问题： 首尾呼应，运用新知首尾呼应，运用新知 ,体现学以致用的新课程理念体现学以致用的新课程理念 2NO（g） + 2CO（g） = N2（g） + 2CO2（g），），已知已知 298K、101KPa下反应下反应H = - 113.0 KJmol-1 ， S = -143.5 Jmol-1K-1思考：但该反应速率极慢，如何加快反应速率思考：但该反应速率极慢，如何加快反应速率？一种汽车尾一种汽车尾气净化器气净化器则则G =G =H-TH-TS = - 69.68 KJmolS = - 69.68 KJmol-1-1 0, 0,因因此，此，室温下反应能自发进行。室温下反应能自发进行。激发探究欲，留下探究空间激发探究欲，留下探究空间 化学反应进行的方向，其实就是物理化学化学反应进行的方向，其实就是物理化学中的热力学第二定律。新教材把这个内容安排中的热力学第二定律。新教材把这个内容安排在高中阶段学习，有一定难度。备课之前，我在高中阶段学习，有一定难度。备课之前，我仔细阅读了课标和教学要求：这部分内容以知仔细阅读了课标和教学要求：这部分内容以