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专题2 化学反应速率与化学平衡
第二单元 化学反应的方向和限度
2.2.1 化学反应的方向
核心素养目标
科学态度与社会责任：
认识反应方向研究对化工生产（如节能减排）和环境保护（如污染物降解）的意义，培养严谨求实的科学态度。
证据推理与模型认知：
运用该模型解释生活实例，实现知识迁移。
宏观辨识与微观探析：
通过分析不同状态物质的熵值差异，理解熵增原理在宏观过程中的体现。
教学重难点
重点
理解自发过程的方向性和自发反应的条件。
掌握焓变和熵变的概念，及熵增原理。
运用 ΔH-TΔS 判断反应方向，明确当 ΔH-TΔS＜0 时反应可自发进行。
难点
区分熵增过程的本质是体系混乱度增大，避免与焓变概念混淆。
理解温度对反应方向的影响，能结合 ΔH 和 ΔS 的符号判断不同温度下的反应可行性。
明确反应自发性仅指方向可能性，与反应快慢
课前导入
生活中有些现象看似 “理所当然”—— 热咖啡自动变凉、香水味扩散到整个房间、石头落水下沉，这些过程为何总是单向进行？19 世纪，科学家发现了隐藏在背后的 “自然法则”：自发过程总是趋向能量降低或混乱度增大。比如，NH4Cl 与 Ba (OH)2 8H2O 的反应能自发进行，即使它是吸热反应，这背后藏着怎样的科学原理？
今天，我们将从 “热咖啡变凉” 的日常现象出发，解密焓变与熵变如何共同决定反应方向，学会用复合判据判断反应可行性，甚至能为某化工反应设计合适的温度条件！
01
自发过程和自发反应
自发过程
自发过程是指在一定条件下，不用借助于外力就可以自发进行的过程。
与自然界中的许多变化一样，化学反应具有方向性。许多化学反应的正反应能自动进行，而其逆反应无法自动进行。例如，把锌片插入硫酸铜溶液时，锌从硫酸铜溶液中置换出铜的反应会自动发生：
Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cu
但将铜片插入硫酸锌溶液中却不会自动发生化学反应。
自发过程
判断下列反应在室温下能否自动进行，如能自动进行，请写出相应的化学方程式。
①水分解成氢气和氧气的反应：
不能自动进行
②氯气与溴化钾溶液的反应：
Cl2＋2KBr=2KCl＋Br2
③乙烯与溴单质的四氯化碳溶液的反应：
CH2=CH2＋Br2―→CH2Br—CH2Br
④氮气和氧气生成一氧化氮的反应：
不能自动进行
自发反应
→概念：
在一定条件下能自动进行的反应，我们称之为自发反应。一定条件指温度、光照、催化剂、压强等条件。
→特点：
具有方向性，即许多化学反应的正反应能自动进行，而其逆反应无法自动进行。
【注意事项】
(1)自发反应也需要一定条件引发反应，一旦反应后即可自发进行。
(2)非自发反应在一定条件下也能发生。
(3)判断某反应是否自发，只是判断反应的方向，与是否会发生、反应的快慢无关。
反应焓变与反应方向
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可能原因吗？
①C3H8(g)＋5O2(g)=3CO2(g)＋4H2O(l) ΔH＝－2 217.5 kJ·mol－1
②2Na(s)＋Cl2(g)=2NaCl(s) ΔH＝－822 kJ·mol－1
③4Fe(s)＋3O2(g)=2Fe2O3(s) ΔH＝－1 648.4 kJ·mol－1
④H2(g)＋F2(g)=2HF(g) ΔH＝－546.6 kJ·mol－1
上述反应表明，在恒压下，有些自发进行的化学反应是放热的（ΔH＜0）。但事实也证明，有些能自发进行的化学反应却是吸热的（ΔH＞0）。
02
化学反应进行方向的判据
实验探究自发反应的可能原因
向干燥的锥形瓶中加入约20 g NH4Cl晶体。在一小木板上洒少量水，将锥形瓶放在木板上。再向其中加入约40 g氢氧化钡晶体［Ba(OH)2·8H2O］，用玻璃棒将固体充分混合均匀，静置。片刻后拿起锥形瓶，观察实验现象。
氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应
实验现象与结论
→实验现象：
锥形瓶和木板因水结冰粘在了一起。
→实验结论：
该反应能自发进行，且为吸热反应。
由实验可知，氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应是一个吸热反应，该反应在常温下就能自发进行。我们熟悉的碳酸钙的分解也需吸收大量的热，该反应在高温下能自发进行。因此，考察化学反应能否自发进行，不能仅用放热（ΔH＜0）或吸热（ΔH＞0）作为判断依据。
反应熵变与反应方向
下列三个过程均吸热：
①硝酸铵的溶解：NH4NO3(s)=(aq)＋(aq)
②碳酸钙的分解：CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)
③氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应：
2NH4Cl(s)＋Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)＋BaCl2(s)＋10H2O(l)
这些反应能自发进行的可能原因：体系的混乱度增大。
熵
→概念：
熵是衡量一个体系混乱度的物理量。符号：S。
→特点：
混乱度越大，体系越无序，体系的熵值就越大。
→影响因素：
a．同一物质：S(高温)>S(低温)；S(g)>S(l)>S(s)。
b．相同条件下的不同物质：分子结构越复杂，熵值越大。
c．S(混合物)>S(纯净物)。
熵变
→定义：
反应前后体系熵值的变化，符号：ΔS。
→熵增或熵减的判断：
a．物质由固态到液态、由液态到气态或由固态到气态的过程，ΔS>0，是熵增大的过程。
b．气态物质物质的量增大的反应，通常ΔS>0，是熵增大的反应。
c．气态物质物质的量减小的反应，通常ΔS<0，是熵减小的反应。
学以致用
根据你已有的知识和经验，判断下列过程的熵变大于零，还是小于零。
（1）H2O(s) →H2O(l) →H2O(g)
（2）2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)＋CO2(g)＋H2O(g)
熵变大于零。原因：物质从固态变为液态，再变为气态，分子的无序程度逐渐增加，混乱度增大，所以熵变大于零。
熵变大于零。原因：反应前为固态物质，反应后生成了气态的CO2和H2O，体系的混乱度增大，熵变大于零。
学以致用
（3）NaOH(s)=Na＋(aq)＋OH－(aq)
（4）N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
熵变大于零。
原因：固态物质变为离子状态分散在溶液中，混乱度增大，熵变大于零。
熵变小于零。
原因：反应前是分子的气体，反应后变为分子的气体，体系的混乱度减小，熵变小于零。
学以致用
已知下列热化学方程式：
（1）Ag＋(aq)＋Cl－(aq)=AgCl(s) ΔH ＝－51.1 kJ·mol－1
（2）K(s)＋H2O(l)=K＋(aq)＋OH－(aq)＋ 1/2 H2(g)ΔH＝－196.6 kJ·mol－1
（3）2Mg(s)＋O2(g)=2MgO(s)ΔH＝－1203.2 kJ·mol－1
根据你所学的知识，分析图所示的变化是否能自发进行。这些变化过程的焓变和熵变大于0还是小于0？将你的结论填入表中
学以致用
变化 能否自发 焓变(ΔH) 熵变(ΔS)
CO2(s)→CO2(g) 能 ΔH＞0 ΔS＞0
2Mg(s)＋O2(g)=2MgO(s) 能 ΔH＜0 ΔS＜0
K(s)＋H2O(l)=K＋(aq)＋OH－(aq)＋H2(g) 能 ΔH＜0 ΔS＞0
Ag＋(aq)＋Cl－(aq)=AgCl(s) 能 ΔH＜0 ΔS＜0
反应进行方向复合判据
体系能量降低和混乱度增大都有促使反应自发进行的倾向。判断反应的自发性必须综合考虑反应的焓变和熵变。
①ΔH-TΔS<0 反应能自发进行
②ΔH-TΔS=0 反应达到平衡状态
③ΔH-TΔS>0 反应不能自发进行
因此
①当ΔH＜0，ΔS＞0时，反应一定能自发进行。
②当ΔH＞0，ΔS＜0时，反应一定不能自发进行。
③当ΔH＞0、ΔS＞0或ΔH＜0、ΔS＜0时，反应是否能自发进行与反应的温度有关
对反应自发性的理解
①ΔH-TΔS只能应用于温度、压强一定的条件下的化学反应，不能用于其他条件。
②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。
③在讨论过程的方向时，指的是没有外界干扰的体系。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。如高温下石灰石分解，高温高压下石墨转化为金刚石，实现的先决条件是要向体系中输入能量，该过程本质仍然是非自发的。
④反应的自发性也受外界条件的影响。如常温下石灰石分解是非自发的，但在1273K时，这一反应是自发的。
03
课堂小结
04
课堂练习
1．下列关于自发过程的叙述正确的是(　　)
A．只有不需要任何条件就能够自动进行的过程才是自发过程
B．需要加热才能进行的过程肯定不是自发过程
C．同一可逆反应的正、逆反应在不同条件下都有自发的可能
D．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程
C
2．下列说法不正确的是(　　)
A．Na与H2O的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行
B．某吸热反应能自发进行，则该反应是熵增反应
C．碳酸铵[(NH4)2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气是因为外界给予了能量
D．CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(l)是一个熵减反应
C
3．下列叙述不正确的是(　　)
A．混乱度减小的吸热反应一定不能自发进行
B．在温度、压强一定条件下，自发反应总是向ΔH－TΔS＜0的方向进行
C．碳酸氢钠加热可以分解，因为升高温度利于熵增的方向自发进行
D．水结冰的过程不能自发进行的原因是熵减的过程，改变条件也不可能自发进行
D
4．下列内容与原因或结论不对应的是(　　)
A
选项 内容 原因或结论
A H2O(g)变成H2O(l) 该过程ΔS>0
B 硝酸铵溶于水可自发进行 因为ΔS>0
C 一个反应的ΔH>0、ΔS<0 该反应不能自发进行
D H2(g)＋F2(g)2HF(g)的 ΔH＝－271 kJ·mol－1、ΔS＝8 J·mol－1·K－1 该反应在任何温度下均可自发进行
感谢您的聆听

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