B4-2-1化学反应的方向

《化学反应速率和化学平衡》章节介绍3.化学反应进行的方向1.化学反应的速率2.化学反应的限度如何判断一个化学反应在指定条件下能否发生，以及在什么条件下可能发生。一个可能发生的反应进行的程度如何，在允许的情况下如何通过改变反应条件获得尽可能高的转化率化学反应的方向汽车尾气中的主要污染物是一氧化氮和一氧化碳，它们是现代化城市中的大气污染物。为了减轻大气污染，人们提出能否通过以下反应来处理汽车尾气：2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)△H=－746.8kJ/mol的设想。总任务：请你从一个化学工作者的视角出发，思考这个设计是否正确可行？从哪些角度来判断一个设计是否正确可行？⑴该反应能否进行？⑵该反应的速率有多快，能否迅速降低尾气中的CO和NO的含量？⑵该反应的进行的程度如何，能否将尾气中的CO和NO的尽可能多的转化为N2和CO2？反应是向正方向进行，还是向逆方向进行？哪些因素影响反应进行的方向？如何判断反应进行的方向？生活中的自发过程自发过程：在一定的条件下，不用借助外部力量就能自动进行的过程。水由高处流向低处的过程、热由高温物体传向低温物体的过程都属于自发过程。非自发过程：必须外界持续做功，否则，过程就会停止。自发过程的特征：有明确的方向性，要逆转必须借助外界做功自发反应有从高能状态转变为低能状态的倾向。氢气在空气中燃烧电解水4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)△H=－824kJ·mol-1铁生锈OH－

(aq)+H

＋

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

181.75kJ·mol-1Cu和AgNO3反应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

反应焓变可作为判断一个反应能否自发的依据。

焓减小有利于反应自发，它是自发反应的一个内在推动力。△H＜0，正向反应能自发进行；△H＞0，正向反应不能自发进行，而逆向反应能自发进行。是不是自发过程都放热？

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不少吸热反应也能自发进行H2O(s)=H2O(l)

H＝+6.95KJ/mol是不是自发过程都是放热反应？CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H(298K)=+178.2KJ•mol-1

△H(1200K)=+176.5KJ•mol-1

一些吸热反应在室温条件下不能自发进行，但在较高温度下则能自发进行。反应焓变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。思考：火柴散落后发生什么变化？火柴散落的变化需要外界做功吗？你能描述这个变化的特点吗？有序无序氢氧化钠晶体Na+、OH-通过静电作用(化学键)按一定规律紧密排列在水分子的作用下化学键被破坏溶于水变乱是能自发进行的原因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)下列吸热反应属于自发反应，为什么？你能否从“火柴散落”中得到什么启发？这三个反应都生成了气体，微粒运动的空间扩大了，整个反应体系“变乱”了。资料1：科学家规定每一种宏观现象对应的微观状态总数为“Ω”，微观粒子越混乱，“Ω”就越大。思考：火柴散落后，它所代表的微粒集体的分布状态数发生什么样的变化？如果最初的火柴数目越多或分布的空间越大，这个变化结果又会是怎样的？你能定量地表征这种变化吗？资料2：在统计热力学上，用一个函数来表示体系的混乱度，该函数就是“熵”，符号为“S”，科学家玻尔兹曼定义了S＝k㏑Ω。这就是著名的“玻尔兹曼熵关系式”。(1)熵：描述体系混乱度的物理量，符号：S，单位：J·mol-1·K-1

体系有向混乱度增加(即熵增)的方向变化的倾向，这是自然界的规律。(2)熵变：用△S表示。△S=S（生成物）－S（反应物）熵与熵变对于确定的化学反应，在一定条件下具有确定的熵变。思考：根据“火柴散落”，请思考“熵增”的方法有哪些？体系状态的改变体系空间的改变微粒数目的改变69.9Jmol-1K-147.9Jmol-1K-1188.7Jmol-1K-1三种状态下水的熵冰水水蒸气物质熵值的特点物质熵值大小与物质的状态有关：S(g)>S(l)>S(s)判断下列过程中的熵变大于零还是小于零，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：产生气体的反应，气体的物质的量增大的反应，反应熵变的数值通常都为正值，为熵增加反应。△S<0△S>0△S>0△S>0判断下列反应的焓变和熵变是否有利于反应自发进行？从中你有什么启发？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)

焓变和熵变都与反应的自发性有关，要判断反应进行的方向，必须综合考虑焓变和熵变。美国物理化学家吉布斯△G=△H-T△S

在温度、压强一定的条件下，化学反应的方向是反应的焓变和熵变共同影响的结果，反应方向的判据为吉布斯自由能△G。

＜0

反应能自发进行＝0

反应处于平衡状态＞0

反应非自发，逆过程为自发△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

焓变熵变化学反应能否自发进行任何温度下正向反应都是自发过程任何温度下正向反应都不自发进行H<0H<0H>0H>0S>0S>0S<0S<0升温不利于正向反应升温有利于正向反应△H△S∆H>0∆S>0高温下反应能自发进行∆H<0∆S<0所有温度下反应不能自发进行∆H<0∆S>0所有温度下反应自发进行∆H<0∆S<0低温下反应能自发进行例：已知反应2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)在298K、100kPa的条件下，其△H=－746.8kJ/mol，△S=－0.2kJ·mol-1·K-1。

(1)请判断室温下该反应能否自发进行?(2)研究发现该反应自发进行的速率极慢，效果非常不理想，不少科学家致力于研制催化剂来加快该反应的速率。某温度下，用气体传感器测得尾气中不同时间的NO浓度如下表：试判断利用该研究成果能否有效处理汽车尾气？时间/s01234c(NO)/mol·L-11.0×10-34.5×10-42.5×10-41.5×10-41.0×10-4解析:(1)能.因为该反应的△H-T△S=-113.0-298×(-145.3)×10-3

=—69.68kJ/mol<0,

说明该反应在理论上是可行的，有可能用于消除汽车尾气中的NO。(2)不能。因为从△H-T△S这个关系式以及△H=-113.0kJ/mol，△S=-145.3J·mol-1·K-1来看，随着T(温度)的升高，会使△H-T△S>0，即反应在较高的温度下不能自发进行。当△H-T△S=0时，T=777.7K即该反应能够自发进行的最高温度为777.7K。说明在汽车的发动机中（温度高于2000K）不可能进行该反应。课堂小结1、自发反应：在一定温度、压强下，不借助(光、电能等）外部力量即能进行，或具有发生的可能性的反应。2、自发过程的两大变化趋势：（1）能量趋于减小(焓减）——焓判据（2）混乱度趋于增大（熵增）——熵判据3、综合判据：△G=△H-T△S

△G<0自发进行△G=0平衡状态△G>0不能进行判断化学反应的趋势，而不能反映化学反应的程度和速率。1．反应的自发性只能用于判断反应的方向，不能确定反应是否一定会发生和过程发生的速率。例如金刚石有向石墨转化的倾向，但是能否发生，什么时候发生，多快才能完成，就不是能量判据和熵判据能解决的问题了。注意2、反应的自发性也受外界条件的影响。如常温下石灰石分解生成生石灰和二氧化碳是非自发性的，但在1273K时，这一反应就是自发的反应。注意3．在讨论过程的方向时，指的是没有外界干扰时体系的性质。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。例如石墨经高温高压还是可以变为金刚石的，实现的先决条件是要向体系中输入能量，该过程的本质仍然是非自发性的。在环境学家看来熵增就是污染——衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度

增大，当熵值达极大值时即死亡，这是一个不可抗拒的自然规律。【课堂达标测试】1、下列说法不正确的是（）A.焓变是一个与反应能否自发进行有关的因素，多数能自发进行的反应都是放热反应。B.在同一条件下不同物质有不同的熵值，其体系的混乱程度越大，熵值越大。C.一个反应能否自发进行取决于该反应放热还是吸热D.一个反应能否自发进行，与焓变和熵变的共同影响有关C2.试根据熵的定义判断下列过程中体系的熵变大于零还是小于零(1)水蒸气冷凝成水(2)CaCO3(S)=CaO(S)+CO2(g)(3)乙烯聚合成聚乙烯(4)气体在催化剂上吸附(5)碳水化合物在生物体内分解△S<0△S>0△S<0△S<0△S>03.25℃和1.01×105Pa时，反应2N2O5(g)＝4NO2(g)+O2(g)△H=+56.76kJ/mol，自发进行的原因是()A.是吸热反应

B.是放热反应

C.是熵减少的反应

D.熵增大效应大于能量效应D4.碳酸铵(NH4)2CO3在室温下就能自发地分解产生氨气，对其说法中正确的是（）

A.其分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大

B.其分解是因为外界给予了能量

C.其分解是吸热反应，据能量判据能自发分解

D.碳酸盐都不稳定，都能自发分解A1.对“△S>0的反应能自发进行”这一观点，利用所给试剂设计实验进行证明和证伪。试剂：CaCl2(aq)、HCl(aq)、Na2CO3(aq)书写化学反应方程式并说出证明或证伪的理由。作业（写到作业本上）2.总结判断反应能否自发进行的方法，并举例说明。END大象、猎豹、骆驼决定一同进入沙漠寻找生存的空间。在进入沙漠前，天使告诉它们，进入沙漠以后，只要一直向北走，就能找到水和食物。

进入沙漠以后，它们发现沙漠比它们想象的大多了，也复杂多了。最为要命的是，不久后它们