B4-2-1化學(xué)反應(yīng)的方向

《化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡》章節(jié)介紹3.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向1.化學(xué)反應(yīng)的速率2.化學(xué)反應(yīng)的限度如何判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)在指定條件下能否發(fā)生，以及在什么條件下可能發(fā)生。一個(gè)可能發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行的程度如何，在允許的情況下如何通過(guò)改變反應(yīng)條件獲得盡可能高的轉(zhuǎn)化率化學(xué)反應(yīng)的方向汽車尾氣中的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳，它們是現(xiàn)代化城市中的大氣污染物。為了減輕大氣污染，人們提出能否通過(guò)以下反應(yīng)來(lái)處理汽車尾氣：2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)△H=－746.8kJ/mol的設(shè)想?？?cè)蝿?wù)：請(qǐng)你從一個(gè)化學(xué)工作者的視角出發(fā)，思考這個(gè)設(shè)計(jì)是否正確可行？從哪些角度來(lái)判斷一個(gè)設(shè)計(jì)是否正確可行？⑴該反應(yīng)能否進(jìn)行？⑵該反應(yīng)的速率有多快，能否迅速降低尾氣中的CO和NO的含量？⑵該反應(yīng)的進(jìn)行的程度如何，能否將尾氣中的CO和NO的盡可能多的轉(zhuǎn)化為N2和CO2？反應(yīng)是向正方向進(jìn)行，還是向逆方向進(jìn)行？哪些因素影響反應(yīng)進(jìn)行的方向？如何判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向？生活中的自發(fā)過(guò)程自發(fā)過(guò)程：在一定的條件下，不用借助外部力量就能自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。水由高處流向低處的過(guò)程、熱由高溫物體傳向低溫物體的過(guò)程都屬于自發(fā)過(guò)程。非自發(fā)過(guò)程：必須外界持續(xù)做功，否則，過(guò)程就會(huì)停止。自發(fā)過(guò)程的特征：有明確的方向性，要逆轉(zhuǎn)必須借助外界做功自發(fā)反應(yīng)有從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)的傾向。氫氣在空氣中燃燒電解水4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)△H=－824kJ·mol-1鐵生銹OH－

(aq)+H

＋

(aq)=H2O(l)△H=－57.3kJ·mol-1NaOH和HCl反應(yīng)Cu(s)+2AgNO3(aq)=Cu(NO3)2(aq)+2Ag(s)△H=－

181.75kJ·mol-1Cu和AgNO3反應(yīng)2Na(s)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+H2(g)△H=－

636.1kJ·mol-1Na投入H2O中(aq)＋2H2O(l)→(aq)＋HPO42－(aq)＋H3O＋(aq)

△H=－24kJ·mol-1

反應(yīng)焓變可作為判斷一個(gè)反應(yīng)能否自發(fā)的依據(jù)。

焓減小有利于反應(yīng)自發(fā)，它是自發(fā)反應(yīng)的一個(gè)內(nèi)在推動(dòng)力?！鱄＜0，正向反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；△H＞0，正向反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，而逆向反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。是不是自發(fā)過(guò)程都放熱？

Ba(OH)2(s)+2NH4Cl(s)=BaCl2(s)+2NH3(g)+2H2O(l)△H=+149KJ/mol

NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+H2O(l)+CH3COONH4(aq)

H＝+37.3KJ/mol不少吸熱反應(yīng)也能自發(fā)進(jìn)行H2O(s)=H2O(l)

H＝+6.95KJ/mol是不是自發(fā)過(guò)程都是放熱反應(yīng)？CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H(298K)=+178.2KJ?mol-1

△H(1200K)=+176.5KJ?mol-1

一些吸熱反應(yīng)在室溫條件下不能自發(fā)進(jìn)行，但在較高溫度下則能自發(fā)進(jìn)行。反應(yīng)焓變是與反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行有關(guān)的一個(gè)因素，但不是唯一因素。思考：火柴散落后發(fā)生什么變化？火柴散落的變化需要外界做功嗎？你能描述這個(gè)變化的特點(diǎn)嗎？有序無(wú)序氫氧化鈉晶體Na+、OH-通過(guò)靜電作用(化學(xué)鍵)按一定規(guī)律緊密排列在水分子的作用下化學(xué)鍵被破壞溶于水變亂是能自發(fā)進(jìn)行的原因Ba(OH)2(s)+2NH4Cl(s)=BaCl2(s)+2NH3(g)+2H2O(l)NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)+H2O(l)+CH3COONH4(aq)

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)下列吸熱反應(yīng)屬于自發(fā)反應(yīng)，為什么？你能否從“火柴散落”中得到什么啟發(fā)？這三個(gè)反應(yīng)都生成了氣體，微粒運(yùn)動(dòng)的空間擴(kuò)大了，整個(gè)反應(yīng)體系“變亂”了。資料1：科學(xué)家規(guī)定每一種宏觀現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)總數(shù)為“Ω”，微觀粒子越混亂，“Ω”就越大。思考：火柴散落后，它所代表的微粒集體的分布狀態(tài)數(shù)發(fā)生什么樣的變化？如果最初的火柴數(shù)目越多或分布的空間越大，這個(gè)變化結(jié)果又會(huì)是怎樣的？你能定量地表征這種變化嗎？資料2：在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)上，用一個(gè)函數(shù)來(lái)表示體系的混亂度，該函數(shù)就是“熵”，符號(hào)為“S”，科學(xué)家玻爾茲曼定義了S＝k㏑Ω。這就是著名的“玻爾茲曼熵關(guān)系式”。(1)熵：描述體系混亂度的物理量，符號(hào)：S，單位：J·mol-1·K-1

體系有向混亂度增加(即熵增)的方向變化的傾向，這是自然界的規(guī)律。(2)熵變：用△S表示?！鱏=S（生成物）－S（反應(yīng)物）熵與熵變對(duì)于確定的化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下具有確定的熵變。思考：根據(jù)“火柴散落”，請(qǐng)思考“熵增”的方法有哪些？體系狀態(tài)的改變體系空間的改變微粒數(shù)目的改變69.9Jmol-1K-147.9Jmol-1K-1188.7Jmol-1K-1三種狀態(tài)下水的熵冰水水蒸氣物質(zhì)熵值的特點(diǎn)物質(zhì)熵值大小與物質(zhì)的狀態(tài)有關(guān)：S(g)>S(l)>S(s)判斷下列過(guò)程中的熵變大于零還是小于零，并分析原因。CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)NH4NO3(s)=NH4+(aq)+NO3-(aq)注：產(chǎn)生氣體的反應(yīng)，氣體的物質(zhì)的量增大的反應(yīng)，反應(yīng)熵變的數(shù)值通常都為正值，為熵增加反應(yīng)?！鱏<0△S>0△S>0△S>0判斷下列反應(yīng)的焓變和熵變是否有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行？從中你有什么啟發(fā)？2Na(s)+2H2O(l)=2NaOH(aq)+H2(g)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)2H2O(l)=2H2(g)+O2(g)

焓變和熵變都與反應(yīng)的自發(fā)性有關(guān)，要判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，必須綜合考慮焓變和熵變。美國(guó)物理化學(xué)家吉布斯△G=△H-T△S

在溫度、壓強(qiáng)一定的條件下，化學(xué)反應(yīng)的方向是反應(yīng)的焓變和熵變共同影響的結(jié)果，反應(yīng)方向的判據(jù)為吉布斯自由能△G。

＜0

反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行＝0

反應(yīng)處于平衡狀態(tài)＞0

反應(yīng)非自發(fā)，逆過(guò)程為自發(fā)△G=△H-T△S

CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H=+178.2kJ·mol-1△S=+169.6J·mol-1·K-1H+(aq)

+

OH-(aq)

=

H2O(l)

△H=

－

57.3

kJ·mol-1

△S=+80.7

J·mol-1·K-1TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)△S=

－

38.4J·mol-1·K-1△H=+161.9

kJ·mol-1NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)

△S=

－

284.3J·mol-1·K-1△H=

－176.9kJ·mol-1

焓變熵變化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行任何溫度下正向反應(yīng)都是自發(fā)過(guò)程任何溫度下正向反應(yīng)都不自發(fā)進(jìn)行H<0H<0H>0H>0S>0S>0S<0S<0升溫不利于正向反應(yīng)升溫有利于正向反應(yīng)△H△S?H>0?S>0高溫下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行?H<0?S<0所有溫度下反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行?H<0?S>0所有溫度下反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行?H<0?S<0低溫下反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行例：已知反應(yīng)2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)在298K、100kPa的條件下，其△H=－746.8kJ/mol，△S=－0.2kJ·mol-1·K-1。

(1)請(qǐng)判斷室溫下該反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行?(2)研究發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的速率極慢，效果非常不理想，不少科學(xué)家致力于研制催化劑來(lái)加快該反應(yīng)的速率。某溫度下，用氣體傳感器測(cè)得尾氣中不同時(shí)間的NO濃度如下表：試判斷利用該研究成果能否有效處理汽車尾氣？時(shí)間/s01234c(NO)/mol·L-11.0×10-34.5×10-42.5×10-41.5×10-41.0×10-4解析:(1)能.因?yàn)樵摲磻?yīng)的△H-T△S=-113.0-298×(-145.3)×10-3

=—69.68kJ/mol<0,

說(shuō)明該反應(yīng)在理論上是可行的，有可能用于消除汽車尾氣中的NO。(2)不能。因?yàn)閺摹鱄-T△S這個(gè)關(guān)系式以及△H=-113.0kJ/mol，△S=-145.3J·mol-1·K-1來(lái)看，隨著T(溫度)的升高，會(huì)使△H-T△S>0，即反應(yīng)在較高的溫度下不能自發(fā)進(jìn)行。當(dāng)△H-T△S=0時(shí)，T=777.7K即該反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行的最高溫度為777.7K。說(shuō)明在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)中（溫度高于2000K）不可能進(jìn)行該反應(yīng)。課堂小結(jié)1、自發(fā)反應(yīng)：在一定溫度、壓強(qiáng)下，不借助(光、電能等）外部力量即能進(jìn)行，或具有發(fā)生的可能性的反應(yīng)。2、自發(fā)過(guò)程的兩大變化趨勢(shì)：（1）能量趨于減小(焓減）——焓判據(jù)（2）混亂度趨于增大（熵增）——熵判據(jù)3、綜合判據(jù)：△G=△H-T△S

△G<0自發(fā)進(jìn)行△G=0平衡狀態(tài)△G>0不能進(jìn)行判斷化學(xué)反應(yīng)的趨勢(shì)，而不能反映化學(xué)反應(yīng)的程度和速率。1．反應(yīng)的自發(fā)性只能用于判斷反應(yīng)的方向，不能確定反應(yīng)是否一定會(huì)發(fā)生和過(guò)程發(fā)生的速率。例如金剛石有向石墨轉(zhuǎn)化的傾向，但是能否發(fā)生，什么時(shí)候發(fā)生，多快才能完成，就不是能量判據(jù)和熵判據(jù)能解決的問(wèn)題了。注意2、反應(yīng)的自發(fā)性也受外界條件的影響。如常溫下石灰石分解生成生石灰和二氧化碳是非自發(fā)性的，但在1273K時(shí)，這一反應(yīng)就是自發(fā)的反應(yīng)。注意3．在討論過(guò)程的方向時(shí)，指的是沒(méi)有外界干擾時(shí)體系的性質(zhì)。如果允許外界對(duì)體系施加某種作用，就可能出現(xiàn)相反的結(jié)果。例如石墨經(jīng)高溫高壓還是可以變?yōu)榻饎偸?，?shí)現(xiàn)的先決條件是要向體系中輸入能量，該過(guò)程的本質(zhì)仍然是非自發(fā)性的。在環(huán)境學(xué)家看來(lái)熵增就是污染——衰老是生命系統(tǒng)的熵的一種長(zhǎng)期的緩慢的增加，也就是說(shuō)隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度

增大，當(dāng)熵值達(dá)極大值時(shí)即死亡，這是一個(gè)不可抗拒的自然規(guī)律。【課堂達(dá)標(biāo)測(cè)試】1、下列說(shuō)法不正確的是（）A.焓變是一個(gè)與反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行有關(guān)的因素，多數(shù)能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。B.在同一條件下不同物質(zhì)有不同的熵值，其體系的混亂程度越大，熵值越大。C.一個(gè)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行取決于該反應(yīng)放熱還是吸熱D.一個(gè)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，與焓變和熵變的共同影響有關(guān)C2.試根據(jù)熵的定義判斷下列過(guò)程中體系的熵變大于零還是小于零(1)水蒸氣冷凝成水(2)CaCO3(S)=CaO(S)+CO2(g)(3)乙烯聚合成聚乙烯(4)氣體在催化劑上吸附(5)碳水化合物在生物體內(nèi)分解△S<0△S>0△S<0△S<0△S>03.25℃和1.01×105Pa時(shí)，反應(yīng)2N2O5(g)＝4NO2(g)+O2(g)△H=+56.76kJ/mol，自發(fā)進(jìn)行的原因是()A.是吸熱反應(yīng)

B.是放熱反應(yīng)

C.是熵減少的反應(yīng)

D.熵增大效應(yīng)大于能量效應(yīng)D4.碳酸銨(NH4)2CO3在室溫下就能自發(fā)地分解產(chǎn)生氨氣，對(duì)其說(shuō)法中正確的是（）

A.其分解是因?yàn)樯闪艘讚]發(fā)的氣體，使體系的熵增大

B.其分解是因?yàn)橥饨缃o予了能量

C.其分解是吸熱反應(yīng)，據(jù)能量判據(jù)能自發(fā)分解

D.碳酸鹽都不穩(wěn)定，都能自發(fā)分解A1.對(duì)“△S>0的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行”這一觀點(diǎn)，利用所給試劑設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明和證偽。試劑：CaCl2(aq)、HCl(aq)、Na2CO3(aq)書寫化學(xué)反應(yīng)方程式并說(shuō)出證明或證偽的理由。作業(yè)（寫到作業(yè)本上）2.總結(jié)判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的方法，并舉例說(shuō)明。END大象、獵豹、駱駝決定一同進(jìn)入沙漠尋找生存的空間。在進(jìn)入沙漠前，天使告訴它們，進(jìn)入沙漠以后，只要一直向北走，就能找到水和食物。

進(jìn)入沙漠以后，它們發(fā)現(xiàn)沙漠比它們想象的大多了，也復(fù)雜多了。最為要命的是，不久后它們