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第二章 化学反应速率与化学平衡
第三节 化学反应的方向
教学目标
1、教学目标
1) 知道化学反应是有方向的；知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变的规律。
2) 能结合具体事例说明反应自发进行的方向。
2、教学重点和难点
1) 重点：化学反应的方向与反应的焓变、熵变的关系。
2) 难点：化学反应的方向与反应的焓变、熵变的关系。
情景导学
情景导学
科学史话
钛的制备
1791
第一次发现钛元素
1910
第一次制得纯净钛
制备设想
第一步：
TiO2(s)+2Cl2(g)＝TiCl4(l)+O2(g)
第二步：
TiCl4(l)+2Mg(s)＝Ti(s)+2MgCl2(s)
第一步反应在任何温度下都不能正向进行，你想知道其中的原因吗？
自发过程
问题一、什么是自发过程？
高山流水
冰雪融化
气体扩散
铁生锈
自发过程与自发反应
1) 自发过程：在一定的条件下，不需借助外力就能自动进行的过程
理解：不需借助外力，不需要外力做功。
2) 非自发过程：在一定条件下，需持续借助外界做功才能进行的过程
3) 自发反应：
在给定的条件下，可以自发进行到显著程度的化学反应，就称为自发反应。
如：氢气的燃烧 (自发反应)，水的分解 (非自发反应)
(一经引发就能自动进行)
问题二、如何判断自发反应？自发反应有什么特点？
自发反应的特点
反应物的总能量高
生成物的总能量低
放热反应
H＜0
4) 自发反应的特点：体系趋向于从高能状态转变为低能状态
研究表明，绝大多数放热反应能自发进行
反应放热有利于反应自发进行
焓判据：
想一想：吸热反应都不能自发进行吗？
焓判据的局限性
想一想：吸热反应都不能自发进行吗？
如：
1) 2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)＝BaCl2(s)＋2NH3(g)＋10H2O(l) ΔH＞0
2) (NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g) ΔH＞0
推论：反应放热有利于反应自发进行，但只根据反应的焓变来判断化学反应的方向是不全面的。
问题三、为什么常温下，有些吸热反应也能自发进行呢？
反应物
生成物
能量
反应过程
吸热反应
化学反应中的“大气球”— 熵
混乱度及自发过程
1) H2和Cl2的扩散实验
2) 硝酸铵溶于水
气体分子通过分子的扩散自发地混合均匀，体系的混乱度增加。
溶解前
溶解后
NH4＋和NO3 在硝酸铵晶体中有序地排列
被水分子包围着的NH4＋和NO3 在溶液中自由移动
特点：自发地从混乱度小向混乱度大的方向进行 (即：有序→无序；无序更稳定)。
熵及熵判据
1850年，克劳修斯提出用熵来度量体系的混乱 (或无序)程度。体系越混乱，熵越大 。
符号：S 单位：J·mol 1·K 1
熵判据：在孤立体系或绝热体系中，反应自发地向熵增的方向进行
想一想、同一物质不同状态下熵值相等吗？
交流讨论
想一想、同一物质不同状态下熵值相等吗？
冰
水
水蒸气
查表：47.9J·mol 1·K 1 70J·mol 1·K 1 188.8J·mol 1·K 1
1) 等量的同一物质，三种聚集状态：S(g) > S(l) > S(s)
2) 通常情况下，气体分子数增大的化学反应为熵增反应
交流讨论
想一想、下列吸热反应为什么能自发进行？有什么共同点？
1) 2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)＝BaCl2(s)＋2NH3(g)＋10H2O(l)
2) (NH4)2CO3(s)＝NH4HCO3(s)＋NH3(g)
ΔS＞0
上述反应过程中气体分子数增大，反应的熵值增大。
ΔS＞0
想一想、自发反应一定是熵增加的反应吗？
2H2(g)＋ O2(g)＝2H2O(l) ΔS＜0
推论：熵增有利于反应自发进行，但只根据熵变判断化学反应的方向是不全面的。
结论：自发反应的方向与焓变、熵变有关，判断反应自发进行的方向，需综合考虑体系的焓变和熵变。
牛刀小试
判断下列反应能否自发进行？
1) 4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)＝4Fe(OH)3(s)
ΔH＝ 444.3 kJ·mol 1 ΔS＝ 280.1 J·mol 1·K 1
2) CaCO3(s)＝CaO(s)＋CO2(g)
ΔH＝＋178.2 kJ·mol 1 ΔS ＝＋169.6 J·mol 1·K 1
√
X
√
X
利用熵变和焓变对自发反应方向性的判断不一致时，怎么办？
资料卡片
自由能与化学反应的方向
1876年，吉布斯(美)提出自由能变化 ，并认为化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直至达到平衡。
1) 表达式：ΔG＝ΔH﹣TΔS (恒温、恒压封闭体系)
其中：ΔG单位为kJ·mol 1 ；T 为热力学温标
当ΔG＜0时，反应能自发进行；
2) 规律：
当ΔG＝0时，反应处于平衡状态；
当ΔG＞0时，反应不能自发进行。
说明：反应自发性只能说明这个反应有自发进行的趋势，不能确定该过程是否一定会发生及过程发生的速率。
资料卡片
自由能与化学反应的方向
1876年，吉布斯(美)提出自由能变化 ，并认为化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直至达到平衡。
说明：反应自发性只能说明这个反应有自发进行的趋势，不能确定该过程是否一定会发生及过程发生的速率。
这就是我们说的化学热力学(理论上)允许反应进行，但是化学动力学(实际上)反应不一定能进行。
反应的快慢程度
化学反应的限度
反应进行的方向
化 学 反 应 原 理 的 重 要 组 成
化学反应的方向
对反应进行方向判断的讨论
类型
H
S
G＝ H﹣TS 反应的自发性
①
②
③
④
－
＋
＋
－
＋
－
＋
－
永远是－
永远是＋
低温时为＋
高温时为－
低温时为－
高温时为＋
正向反应的自发性
在任何温度下均自发
在任何温度下均非自发
低温时非自发
高温时自发
低温时自发
高温时非自发
H
S
高温下
自发
(＋、＋)
任何温度
下均自发
( 、＋)
低温下
自发
( 、 )
任何温度
下均非自发
(＋、 )
化学反应的方向
迁移应用
已知：制钛的第一步：TiO2(s)＋2Cl2(g)＝TiCl4(l)＋O2(g) ΔH>0
为什么第一步反应在任何温度下都不能正向进行？如何改进？
经过不断地研究和尝试，在1910年，科学家终于解决了制钛的第一步反应，即在反应中适当加入石墨，发生反应：
TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)＝TiCl4(g)＋2CO(g) ΔH<0
化学反应的方向
身边的化学
汽车尾气中的主要污染物是NO和CO，为了减轻大气污染，人们提出通过以下反应来处理汽车的尾气
2NO(g)＋2CO(g)＝N2(g)＋2CO2(g)
已知：在298K、101kPa下：
ΔH＝ 746.8 kJ·mol 1 ΔS＝ 197.5 J·mol 1·K 1
试判断该方案的可行性？并说明理由。
如果可行，还需要探究该反应的哪些方面？
随堂练习
(17浙江) 已知:
2Al2O3(s)＝4Al(g)＋3O2(g) ΔH1＝＋3351KJ/mol
2C(s)＋O2(g)＝2CO(g)　ΔH2＝﹣221KJ/mol
2Al(g)＋N2(g)＝2AlN(s) ΔH3＝﹣318KJ/mol
碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是：
________________________________________
该反应自发进行的条件______
Al2O3(s)＋3C(s)＋N2(g)＝
2AlN(s)＋3CO(g) ΔH ＝＋1026KJ/mol
高温
谢谢

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