高中化学选修化学反应原理教案-2.2 化学反应的方向和限度10-苏教版

化学反应的方向教学设计

本节课选自人教版高中化学选修4第二章第四节。本节主要内容为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，对化学反应进行的方

向，提出了互相关联的焰判据和燧判据，即凡是能够使反应体系焰减小、病增大的反应方向，

就是化学反应自发进行的方向。对于一个具体反应，需应用两个判据综合进行分析，不能片

面地做结论。本节课是化学反应原理的三个重要组成部分之一，学完本节课学生对化学反应

原理有了一个整体的把握，能够全面的分析一个化学反应进行的方向、快慢和限度的问题。

二、学情分析

目前，学生已经详细学习了“化学反应的热效应”，初步学习了“化学反应快慢和反应

限度”，具备了一定的化学反应原理的相关知识，同时已经学习和掌握了一定的物理和化学

知识，且生活中学生也能接触到很多与化学反应进行方问有关的实例，知道在常温、常压条

件下有些反应容易进行而有些反应不能进行；有些在常温、常压条件下不能进行的反应在加

热或者加压条件下则可以进行。这都为本节课的顺利展开做了充分的准备。经过一年的高中

学习，学生大部分已初步养成了科学探究的学习习惯，具备了进行科学探究的基本能力，但

仍然需要教师进行必要的指导和解疑。

三、教学目标

2017版课程标准对化学反应的方向内容要求如下：

知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焙变和燃变有关。

可见课标对本节内容要求不高，但懒这一新的物理量的概念理解及应用可能会对学生的

学习造成一定的影响，因此我把本节课的重难点设计如下

教学重点：化学反应的方向

教学难点：决定化学反应方向的因素

在对学生学科核心素养的培养上我设计如下

1.通过碳酸钠与碳酸氢钠和盐酸的反应实验分析,培养学生的宏观辨识与微观探析的

能力

2.通过对Na制取K的条件控制，培养学生变化观念与平衡思想

3.通过汽车尾气中NO、CO相互反应消除污染的可行性探析，培养学生科学态度与社

会责任

4.通过引导学生根据已学知识的应用对金属A1的化学还原法的关键方程设计，培养

学生科学探究与创新意识

四、教学方法

讲授法、分组实验、情境创设法

五、教学过程

上课，同学们好！请坐……

在正式上课之前，请同学们回答我的两个问

题？

①常温常压下将氨气和氯化氢气体混合，会有

什么现象？

常温常压下，将NH3,HCI混合在某一

会有什么样的现象？生：白烟，

师：很好，氨气和氯化氢会反应生成氯化铁固

能否用Na和KCI反应来制备单质K呢？

体，这是一个常温下能自发进行的反应

Na+KCIK+NaCI

②能否用Na和KC1来置换金属单质K呢？

生：不能

师：其实工业上人们就用Na+KCl==K+NaCl

这个反应来制备金属K,但这个反应只能在高温条

件下进行，低温条件下就会发生K置换Na。为什么

高温下钠可以制取钾，不同温度条件下这个反应的

方向却不同呢？

这就是我们今天要解决的问题一一化学反应的

方向！

本章开始我们提到，化学反应方向、快慢和限

度是化学反应原理的三个重要组成部分，后两个我

们已经在前三节内容做了初步探讨，把化学反应方

向放在最后，主要是它涉及的因素较为复杂，如果

化学反应的方向

一个反应已经发生了，那么反应的方向也就确定了。

如果反应还没有发生，那么我们就需要对它是否能

够发生反应做出判断，就需要建立有科学根据并且

行之有效的判断依据。所以我们需要了解一一化学

反应为什么能够自发进行？

请同学们带着这样的思考回答这三个问题

①能否利用氢气和氢氧化钠反应制取钠单质？

化学反应为什么能若自发迸行？②能否利用碳单质和二氧化硅反应制取单晶

1.11否利用■气制取的？

Ih+2、・OH?2N"2HQ硅？

2.畿否利用碳单质与二•化磋反应制取单fl硅？

SKW+2C(s?Si(*)+2CO(t)

③汽车尾气中的NO、CO能否相互之间直接反

3.汽车尾气中的、O.CO祠■气体，相互之间18否反应转变

的气体排放？应，转变为无害的气体排放？

2NOU)+C<Xjf>Q、忠)+COd)

我相信各位同学对前面两个问题还是有比较清

晰的判断的，而对第三个问题则有点迷茫，心中没

有判断的标准

用药勺的小端舀1~2勺于试管底部，后猛加一

滴管的盐酸，观察现象

【学生实验】

生：现象是碳酸钠于盐酸反应产生气泡并放热,

而碳酸氢钠于盐酸反应产生更多的气泡，且反应吸

热

师：很好，其他小组的实验现象和这位同学描

述的一样么？说明大家都认可这样的实验现象

我们已从宏观角度感受了这两个反应，接下来

我们再从微观层面分析一下这两个反应

碳酸钠与盐酸的反应可以分为三步进行：

①H'(aq)=HCO3(aq)@HCO3(aq)+H

(aq户H2coKaq)③H2coHaq);H?O⑴+CO2(g),根

据实验现象我们可以分析出①②两步是放热反应,

««CO,《卬―卬-叩。…AHj-ct其放热过程我们可以用能量过程图表示如下:

发HKOEXHQIHCO"AHX

可能会有同学疑问，老师：为什么①步骤放出

的能最比②多，其实这很简单，碳酸根的带两个单

位的负电荷，而碳酸氢根仅带一个单位的负电荷，

再结合氢离子方面就会更猛烈些。

那么，碳酸氢根与盐酸反应和碳酸与盐酸反应

哪些步骤一样？你分析一下③的热效应应该是怎样

的？

生：吸热

那吸热量应该是多少呢？

生：介于**和**之间

这里，我们发现，碳酸氢钠与盐酸反应总体是

放热的，这说明用能量降低的焰判据来作为判断反

为什么有的吸热反应常温下也处进行？

■的反双:应能否自发进行的唯一-标准是不准确的。我们应该

——■给友曲’怎么描述更贴切一点：放热反应【△"()】的反应有

HCOr+H*-H^COj-H:O+CO21

利于自发进行，而有的吸热反应也可以自发进行。

那为什么有的吸热反应常温下也能自发进行？

烯J(shang)

为什么碳酸氢钠与盐酸的吸热反应不用加热,

反应就发生了，实现了反应物总能量低的状态到生

成物总能量高的状态,并口选个过程是如此的演利.

流畅……

这背后肯定有我们不知道的推动力。

这就好比老师我双脚不动，我就升到了楼顶。

同学们稍微一分析就知道，我自己肯定不能做到，

背后肯定有什么在帮助实现这一过程，那请同学们

想想：有什么样的的方案可以实现老师这一变化

么？

生：电梯、飞机、热气球……

师：电梯确实可以实现老师的变化，但是类比

到这个反应中来，很明显没有使用电能，而有关电

能涉及化学反应的变化我们之后会专门讲解，今天

就不展开来讲解

气球，对！气球可以把老师拽上去，就像这样！

那这个反应有气球么？谁乂是化学反应中的大

气球呢？

那就是端！

:®,是我们今天要学习的一个新的物理量，商

一刚开始我们学了一个物理量：物质的量，今天要

学习的端也是。牖是描述体系混乱度的物理量，符

号：S,单位是：J-mol-1-K1

前面的学习我们发现，自然界物质的变化总是

有向能量降低变化的自发倾向，同样，科学家发现

新的物理届一一墙

体系也有向混乱度增加的方向变化的自发倾向，这

描述体系混乱度的物理・

符号：S单位：Jmol<K•也是自然界的普遍规律。

体系有向混乱度增加（即燃增）的方向变化的倾向，途

的普遍规律.例如：下课了，同学们自发的离开座位，也会

例如：［导致混乱度增加

*乙加的朴发•‘（体的盘介，物BI自发ret过程会号数混乱度moo

*TB7.阅字们自发的♦开座位，也会与M混乱虔皮油

乙醇的挥发，气体的混合等物质自发扩散过程

会导致混乱度增加【即皤增】

或者说老师手上的火柴是整齐排列的，当然这

是由于我手在维持这种状态，当我把手撤去之后，

火柴会自行下落，并变得十分混乱，这也是一个自

发的混乱度增加的过程。

可能到这里还有的同学不能十分理解端的概

念，这里老师在做一个实验，希望能加强同学们对

端的理解

老师向氢氧化钠的溶液中滴加酚酎，各位同学

看看有什么现象？这个实验我们初中就做过，但今

天我们换个角度来分析这个实验现象，我们看到滴

入酚献后，烧杯中的溶液变红了，但老师滴入的酚

酬刚开始应该在烧杯的中间，可整个烧杯几乎都变

红了，这说明酚酎扩散开来了，没有任何外力的所

为，酚酣就扩散开来，这是一个自发的混乱度增加

的过程，或者说是一个燧值过程。

那么酚醐从脱离滴管直至落下，这也是一个势

能降低的过程

所以说：能量趋于降低是一个自发的过程，而

实造：向氧■化的溶液中滴加酚的俄剂

混乱度趋于增加也是一个自发的过程，请问同学们

过程的自发性

.你们想想，日常生活中不借助外力的话，能否看到

■65*能・趋于口

t*混乱度趋守4这样一个过程：倒放视频

过程的不自发性

势能1刖低*”■利

;所以说，能量趋于增加和混乱度趋于降低都是

*混乱度趋子“一个不自发的过程，对于化学反应而言，自然界的

»混乱度的增加

自发过程可以推劭反应的进行，能量降低可以自发,

借此拉动反应进行；而燧增也是一个自发的过程，

同样可以拉动反应进行。

我们可以通过定量的比较反应物和生成物的总

能量大小，进而得出反应的总能量变化来判断反应

的自发进行与否，而在理解了炳的概念及炳增原理

之后，我们如何对比反应前后物质的燧值大小呢？

进而判断反应能否自发进行呢？

我们知道，物质的能量和物质的活泼性一定的

关联，那就是能量越低的物质越稳定，而能量越高

的物质越活泼。那物质的娥值有什么样的规律么

影响物质的燧值有很多因素，高中阶段我们简

化模型，仅了解其主要影响因素：物质的燧值与状

1asma：与物质的状态有关态的关系

•••

•••

•••••・・•••

•••••••・•

•••••••••各位同学可以根据水的三态简单分析：在水的

•V・.«

♦*1

固态---------液态--------►物质的量相等的前提下，哪种状态的烯值最大？

%K）：47.9J»ol«K•<$如［69.9J1MM7Jnol

所以说：物质的牖值：固态小于液态远小于气

态

好，现在我们再回头看看碳酸氢钠与盐酸的反

应微观过程

艮战钠与微酸反应的能■变化mi钠与45曲mM第1步很好理解。因为强酸制取弱酸是一个能

ELjHCOj+H*-H,COj

IIJCOJ—l“O\COjtAlA

量有利的过程，所以第1步是由能量降低推动的反

2rL留丁

—g■/.尸出

应，但第2步的碳酸分解是一个吸热反应，为啥也

反应历dAfiffifl

从反应过程来看，反应用吸热(«»]的，回■策值是埔大的，

能进行？

这[im)a反应得以自发进行的主要蹴因

生：因为产生了气态二氧化碳，是一个烯增过

程，拉动的反应的进行

接下来我们再看看场拉动反应的其他例子

【例1】金属K的制备

刚才很多同学不能理解这个反应为什么能发

嫡拉动反应自发进行的实例

1金HK的制笛生，现在我们回头看看，是为什么？

A11

N»(i)+KC1(I>=K(R)FNaCII)

，平衡移动角度

生：产生的钾为气态，是一个爆增过程

*MB9E2d)

关■：濡点、*K沸a

63.6℃97J«℃774.

柄卯：那发头次必1反此反生，兵天屣囚系，E钟

Na1E

K卬体，1旅

为气态时钠为液态，而奇妙的自然界正好提供了M

样的规律，钠的沸点大于钾

同学们根据老师给的数据分析，应该控制温度

在什么范围较为合适？如果温度低于这个值，则会

发生K置换钠的反应

我们再来看一个反应

【例2】从沙滩到用户

我们每个人都要感谢这个反应，就是因为它，

我们才可以用上如此便捷的手机、电脑，而生成单

晶硅，是利用碳单质与二氧化硅的反应，请同学们

比较一下以下两个反应，首先思考一下：这个反应

碳的角色是什么？还原剂，那么从周期表中我们了

解到，碳和硅哪个的还原性更强？碳能制取硅么？

所以说从关键物质上看，该反应是一个能量不利的

反应，但工业上却是用它来制备硅，你认为是谁在

嬉拉动反应自发迸行的实例推动反应的进行？哪个反应更具优势呢？

2.SiO：的还原——从-沙充到用户-的关键反应

比较以下两个反应.■个IB艮优的第二个，因为产生的气体更多，爆增更大，拉

SQ⑸+C($4si(*)+CO(g)

2更大

SK)i(*)+2C($)^Si(*)+2C(XR)

实际：碳的高温下低价震化物更加0定很好，实际上碳在高温条件下其低价氧化物更稳定，

W：高温有利co的生成而现在我们还可以从燧值的角度去理解这个现象，

燧的因素应该是它更本质的因素

所以，我们可以根据反应前后的端值变化来判断反

应能否自发进行，我们也称之为埼判据，S>0,有

利于反应自发进行，那么焙减反应是否就不能进行

呢？

生：不对，氢气燃烧就是燧减反应，

所以，单独的熔判据和嫡判据都不能作为判断

反应能否发生的唯一标准，我们更应该将二者结合

起来分析

二者结合有几种情况？

增为据与境列据与反山的自发怪

燃变燃变反应的自发性4.

生.n四nj种:

AH<0ASM)反应能等自发进行

AH<°2师：第一种是能量和烯增都有利的，那么反应

AHM>ASM)9

U+H-ZU士，上公能匕臼自哈及；进4fr仃，l1•.l匕zJt如nSr钠fa匕与•J水，的反U应匚工

AHM)AS<0反应不能算自发出行

对化学反应迸行分类研究

从定■的角度衢■焙变和编变对化学反应自发性影响的.第四种是能最和燧增都不利的反应，那么反应

一定不能自发进行，比如刚开始老师给出的氨气与

氢氧化钠的反应

中间的两种是一方有利而另一方不利，那如何

分析呢？

不知道，确实不知道，但此时的不知道不是茫

然的不知道，和老师刚开始要求同学们分析汽车尾

气的反应能否进行的判断是的茫然不同，我们知道

接下来该做哪方面的研究。简单讲就是将焰判据和

燧判据放在一起进行PK,定量的对比他们对反应自

发性影响的重要程度。

而在这个过程中我们要感谢三个人

“wr概念的攫出第一个是克劳修斯，他是第一个提出燃的概念

1854年克劳修断在表i

的科学家

二定律的过程中，引入了一

念——"W

(15

第二位是玻尔兹曼，是他找到了描述物质端值

的具体公式

一燃'的物理意义

建立了“篇”此宏观物£

一宏观状态跤对is的微观1我f门来看,看.：S=klogW

向的相互联系

«^ggLS-Alo8W他的公式是如此简洁，以至于人们将他和牛顿

f第二定律和爱因斯坦的质能方程相媲美，他们都是

翼因斯坦质能方程：E.

用最简洁的公式语言描述了这个自然界运行的基本

规律

培判据与薛判据的定■关系第三位是吉布斯

吉布斯自由能AG

研究表明,在一定的温度、他发现，在一定的温度、压强的条件下，化学

条件下，化学反应自发进行方位

是：

AG-AH-TAS反应自发进行方向的判据是：AG=AH-TAS

AG-AH-TASM)反血不■

AG-All-TAS<0反应IM

的内♦,咸&ITA布断AG-AH-TAS-0RSUH△反应不能自发进行

JoUahUUhrdGibtnG=AH-TAS>0

△G=AH-TAS<0反应能自发进行

△G=AH-TAS=0反应达到平衡状态

因此，人们也将AG称作吉布斯自由能

接下来我们站在前人的研究成果之上来分析一

下老师最开始提出的问题：汽车尾气中的NO和CO

能否相互反应转变为无害气体，你需要什么？

汽车尾气中含有NO、CO■有害气体,相互之阍18否反

无■的气体排放？焰变和燧变的具体数值，老师已经帮各位同学

2NO(g)+CO(g)-Nj(f)+CO”)查好了，接下来我们只需要代入公式计算

已知：298K.lOlKPa下反应的：

All«"-113.0kJ,mol*1fAS«-143.5Jmo-

分析：AG-AH-TAS<0求出丁二一;为心787K,即：

143.5x10

(-IB.O)Umol»-TX(-143.5>Jmol"flO

T<787K-273K=514℃

F=—"30h787KHP：T<787K-27.5k

143.5x10-'

说明反应是可以发生的，那么为啥尾气中还有

NO和CO的排放，可能是反应速率和限度的问题了，

接下来只需要寻找合适的催化剂就可以了

然后我们在来分析以下反应发生的趋势

判断下列反应的迸行趋势AG=AH-TAS<0反应可E15氨气和氯化氢的反应是一个能量有利而牖增不

*NHJU)+IKKir)-NIICI(S)

4利的反应，低温有利而高温不利

AH<0AS<«

低温对此反应的利，岛片对比反收不利氯化铉的分解时一个能量不利但嫌增有利的反

*NH(：I(5)=+H(l(x)

4应，低温不利而高温有利

AH>0AS>0

育出对此反应有利,低温对此反应不利