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第二章第四节
化学反应进行的方向
金红石：主要含TiO2
钛被誉为“21世纪金属”，广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、
舰艇及医疗等领域。
第一次制得纯净的钛是在1910年。其实早在1791年化学家就在金红石矿物中发现了钛元素。当时化学家们就设想通过以下两步反应来制备钛:
科学史话
第一步:
TiO2
(s)
+
2Cl2
(g)
=TiCl4
(l)
+
O2
(g)
第二步:
TiCl4
(l)
+
2Mg(s)
=Ti(s)
+
2MgCl2
(s)
设想：
生活经验
红墨水扩散
水从高处向低处流
开水变凉
自发过程：在一定条件下，不需要借助外力作用就能自动进行的过程。
热冰实验
实验步骤
1.取少量乙酸钠晶体于培养皿中；
2.将过饱和乙酸钠溶液缓缓倾倒在乙酸钠晶体上，观察现象；
3.将探头式温度计伸入乙酸钠晶体中，观察示数变化。
自发过程
水从高处向低处流
开水变凉
热冰实验
从能量角度思考：这些变化中的共同点是什么?
体系趋向于从高能状态转变为低能状态
活动探究一：能量对化学反应自发过程的影响
请大家合理的猜测焓变(ΔH
)与反应自发性的关系，
并举出实例证实你的猜想。
猜想
NaOH(aq)
+
HCl(aq)
=
NaCl(aq)
+
H2O(l)
△H
=
-57.3
kJ·mol-1
Na(s)
+
H2O(l)
=
NaOH(aq)+
1/2H2(g)
△H
=
-184
kJ·mol-1
4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)
+
O2(g)=
4Fe(OH)3(s)
△H
=
-444.3
kJ·mol-1
1/2H2(g)
+
1/2Cl2(g)
=
HCl(g)
△H
=
-92
kJ·mol-1
H2(g)
+
1/2O2(g)
=
H2O(l)
△H
=
-286
kJ·mol-1
△H<0有利于化学反应的自发进行。
焓判据
2N2O5(g)=4NO2(g)+O2
(g)
△H
=
+56.7
kJ·mol-1
(NH4)
2CO3(s)
=
NH4HCO3(s)+NH3(g)
△H
=
+74.9
kJ·mol-1
思考:
是不是所有自发进行的化学反应都是放热的？
△H<0有利于化学反应的自发进行，但不是判断反应进行的唯一标志。
焓判据
2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=2NH3(g)+BaCl2(s)+10H2O(l)
△H>0
反应前:23.8℃
反应后:-6.8℃
湿润的红色石蕊试纸变蓝
1.熵用来衡量体系无序程度(符号:S
单位:
J·mol-1·K-1
)。熵值越大，体系无序程度越大。
2.
同种物质，S(s)3.化学反应存在着熵变。ΔS
为反应产物的总熵与反应物总熵之差。
熵判据
从无序程度变化的角度思考：这些变化中的共同点是什么?
生活经验
密闭条件下，体系有从有序自发的转变为无序的倾向
活动探究二：无序程度对化学反应自发过程的影响
请大家合理的猜测熵变(ΔS
)与反应自发性的关系，
并举出实例证实你的猜想。
猜想
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2
(g)
△S
=
+169.6
J·mol-1
·K-1
2H2O2(aq)
=
2H2O
(l)
+
O2(g)
△S
=
+57.2
J·mol-1
·K-1
NH4
HCO3(s)
+CH3COOH
(aq)
=
CO2
(g)+CH3COONH4
(aq)+
H2O
(l)
△S
=
+184
J·mol-1
·K-1
产生气体的反应和气体物质的量增大的反应，反应熵变的数值通常都是正值，为熵增加反应
在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵值增大，即熵变(△S)大于零。
熵增加
原理
1.熵用来衡量体系无序程度(符号:S
单位:
J·mol-1·K-1
)。熵值越大，体系无序程度越大。
2.
同种物质，S(s)3.化学反应存在着熵变。ΔS
为反应产物的总熵与反应物总熵之差。
4.熵增加(ΔS＞0)有利于化学反应的自发进行。
熵判据
思考:
是不是所有自发进行的化学反应都是熵增的？
2Al(s)+Fe2O3(s)=
Al2O3(s)+
2Fe
(s)
△S
=
-39.4
J·mol-1
·K-1
但不是判断反应进行的唯一标志。
如果ΔH
和ΔS
对自发反应的影响不一样的情况下，如何判断反应的自发性呢？
热冰实验再探
常温水中：自发结晶；开水中：没有看到结晶。
现象
反应是否自发还与温度有关
1.准备两袋过饱和乙酸钠溶液，一袋置于常温的水中，另一袋置于开水中。
2.用两支玻璃棒分别蘸取少量乙酸钠晶体，伸入两溶液中，观察现象。
实验步骤
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2
(g)
△H
>
0
△S
>
0
△G=△H-T△S
△G
<
0
△G
>
0
△H
>
0
△S
<
0
非自发
△H
<
0
△S
>
0
自发
△H
<
0
△S
<
0
低温可行
△H
>
0
△S
>
0
高温可行
复合判据
△G<0
反应自发
△G>0
反应非自发
2KClO3(s)=2KCl(s)+3O2(g)
△H
=
-78.03
kJ·mol-1
△S
=
+494.4
J·mol-1·K-1
CO(g)=C(s,石墨)+1/2O2(g)
△H
=
+110.5
kJ·mol-1
△S
=
-89.36
J·mol-1·K-1
用复合判据判断下列反应能否自发进行
4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s)
△H
=
-444.3kJ·mol-1
△S
=
-280.1
J·mol-1·K-1
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2
(g)
△H
=
+178.2
kJ·mol-1
△S
=
+169.6
J·mol-1·K-1
任何温度下都能正向自发进行
任何温度下都不能正向自发进行
低温下能正向自发进行
高温下能正向自发进行
科学史话
第一步:
TiO2
(s)
+
2Cl2
(g)
=TiCl4
(l)
+
O2
(g)
第二步:
TiCl4
(l)
+
2Mg(s)
=Ti(s)
+
2MgCl2
(s)
设想：
分析
为什么第一步反应在任何温度下都不能进行？
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碳，发生反应:
TiO2
(s)
+
2Cl2
(g)
+
2C(s)
=TiCl4
(g)
+
2CO
(g)
ΔH＜0
需要注意的是：反应的方向与条件有关，不能随意将常温常压下的结论用于其他温度和压强下。并且，反应发生的条件有多种，ΔG
只能用于一定温度、压强下的反应，不能用于其他条件。
此外，我们只能用ΔG
去判断反应正向发生的可能性，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率，以及反应进行的程度。
应用迁移
1.汽车尾气的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳，它们是现代化城市的大气污染物。为了减轻大气污染物，人们提出通过以下反应来处理尾气:
2NO(g)
+
2CO(g)
=N2
(g)
+
2CO2
(g)
在298
K、100
kPa
下:
ΔH
=-746.8
kJ·mol-1
ΔS
=
-197.5
J·mol
-1
·K-1
同学们觉得这个方案可行吗?
?
应用迁移
2.
［体验活动］角色扮演：混乱的制造者与整理者。
一位同学扮演“混乱的制造者”，任务：抛洒排列整齐的粉笔制造“混乱”。另一位同学扮演“混乱的整理者”，任务：重新整理粉笔并有序排列。其他同学任务：思考在你的生活中，你愿意做哪种角色？你愿意和哪种人长期相处？为什么？
思考
如果抛洒的不是粉笔而是大量的二氧化碳呢？
［交流讨论］从“熵增定律”的角度思考人类社会发展道路的选择：先污染后治理，还是从源头开始控制污染，尽力做到“绿色化学”和“零污染”排放。从“熵增定律”的角度谈一谈二氧化碳的排放和收集的难易程度与“低碳”生活的重要性。同学们今后的选择是什么？

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