高中化学 选修四 第二章 第四节 化学反应进行的方向 课件 新人教版

第四节化学反应进行的方向思考感悟1.了解放热反应的自发性和某些吸热反应的自发性。2．通过“有序”和“无序”的对比，理解熵的概念。3．初步了解焓变和熵变对化学反应方向的影响，能用焓变和熵变说明化学反应的方向。基础自主学案自主学习一、自发过程和自发反应有关化学反应进行的方向、快慢和限度是化学反应原理的三个重要组成部分。科学家根据体系存在着力图使自身能量趋于“最低”和由“有序”变为“无序”的自然现象，提出了互相关联的焓判据和熵判据，为最终解决反应方向问题提供了必要的依据。1．自发过程(1)含义：在一定条件下，不用借助于外力就可以__________的过程。(2)特点：①体系趋向于从_____状态转变为_____状态(体系对外部做功或者______能量)。②在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向，即______原理。2．自发反应在给定的一组条件下，可以_______地进行到显著程度的化学反应。自动进行高能低能释放熵增自发思考感悟1．自发反应一定能发生反应，而非自发反应一定不能发生反应吗？【提示】自发反应、非自发反应是指该反应过程是否有自发进行的倾向，而这个过程是否一定会发生则不能确定。如C的燃烧是一个自发反应，但要想发生反应，需借助外界条件点燃才能发生。二、化学反应进行方向的判据1．焓判据放热反应过程中体系能量____，具有自发进行的倾向，因此可用_____来判断反应进行的方向。2．熵判据(1)熵：在密闭条件下，体系有从_____自发地转变为_____的倾向。因为与有序体系相比，_____体系“更加稳定”，可以采取更多的存在方式。科学家用___(符号为S)来量度这种混乱(或无序)的程度。降低焓变有序无序无序熵(2)熵增原理在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵_______，即熵变(符号ΔS)_____零。(3)熵值大小的比较同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)__S(l)__S(s)(填“”、“”或“＝”)。(4)熵判据体系有自发地向混乱度____(即熵增)的方向转变的倾向，因此可用_____来判断反应进行的方向。增大大于增加熵变3．复合判据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，若允许外界对体系施加某种作用，就可能出现相反的结果。综合考虑焓判据和熵判据的复合判据，将更适合于所有的过程，只根据一个方面来判断反应进行的方向是不全面的。思考感悟2．熵增加的反应一定能自发进行吗？【提示】不一定。(1)有些熵增加的反应在常温、常压下不能自发进行，但在较高温度下可以自发进行。例如：CaCO3(s)CaO(s)＋CO2(g)ΔS＝＋169.6J/(mol·K)；C(s，石墨)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔS＝＋133.8J/(mol·K)；(2)铝热反应是熵减小的反应，它在一定条件下也可以自发进行。2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)ΔS＝－39.35J/(mol·K)；事实证明，熵变是与反应能否自发进行有关的又一个因素。自主体验1．下列过程是非自发的是()A．水由高处向低处流B．天然气的燃烧C．铁在潮湿空气中生锈D．室温下水结成冰解析：选D。自然界中水由高处向低处流、天然气的燃烧、铁在潮湿空气中的生锈、室温下冰的融化，都是自发过程，其逆过程都是非自发的。2．以下自发过程可用焓判据来解释的是()A．硝酸铵自发地溶于水B．2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)ΔH＝＋56.7kJ/molC．(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)ΔH＝＋74.9kJ/molD．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)ΔH＝－572kJ/mol解析：选D。焓判据能够说明放热反应为自发反应，而A、B、C三个自发过程均为吸热过程，显然不能用焓判据来解释，只有D项可以用焓判据解释。3．(2011年河南驻马店高二检测)水的三态的熵值的大小关系正确的是(Sm表示1mol物质的熵值)()A．Sm(s)Sm(l)Sm(g)B．Sm(l)Sm(s)Sm(g)C．Sm(g)Sm(l)Sm(s)D．Sm(s)＝Sm(l)＝Sm(g)解析：选C。同一种物质处于气态时熵值最大，液态次之，固态时熵值最小。课堂互动讲练判断化学反应进行方向的判据1．焓判据(化学反应能否自发进行与吸热、放热的关系)(1)多数能自发进行的化学反应都是放热反应。例如：在常温常压下，氢氧化亚铁被氧化为氢氧化铁的反应是自发的，反应放热。4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)ΔH(298K)＝－444.3kJ·mol－1(2)有不少吸热反应也能自发进行，如：NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)ΔH(298K)＝＋37.30kJ/mol(3)有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。如在室温下和较高温度下均为吸热过程的CaCO3分解反应。CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)ΔH＝＋176.5kJ/mol所以焓变不是决定反应能否自发进行的惟一因素。特别提醒：自发进行的反应不一定都是由高能状态到低能状态的过程，如NH4NO3溶于水是吸热过程，由低能状态到高能状态。因此焓判据只是判断反应方向的一个依据。2．熵判据(熵变与反应方向的关系)化学反应中要发生物质的变化或物质状态的变化，因此存在着熵变。反应的熵变ΔS为生成物总熵与反应物总熵之差。对于确定的化学反应，在一定条件下具有确定的熵变。(1)许多熵增加的反应在常温常压下可以自发进行。例如：2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g)ΔS＝＋467.4J·mol－1·K－1NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)ΔS＝＋184.05J·mol－1·K－1(2)有些熵增加的反应在常温常压下不能自发进行，但在较高温度下可以自发进行。例如：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)ΔS＝＋169.6J·mol－1·K－1C(石墨，s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔS＝＋133.8J·mol－1·K－1(3)铝热反应是熵减小的反应，它在一定条件下也可以自发进行。2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)ΔS＝－39.35J·mol－1·K－1事实证明熵变是与反应能否自发进行有关的另一个因素。例1(2011年湖北武汉调研)下列说法正确的是()A．在常温下，放热反应一般能自发进行，吸热反应都不能自发进行B．NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)ΔH＝＋185.57kJ/mol，能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向C．因为焓变和熵变都与反应的自发性有关，因此焓变或熵变均可以单独作为反应自发性的判据D．在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向【解析】正确解答本题，首先要明确焓判据和熵判据对化学反应方向的影响，然后利用自由能变化(复合判据)进行综合分析判断，同时要注意催化剂在化学反应中的作用。A项错误，有些能使熵值增大的吸热反应可以自发进行；C项错误的原因是要将二者综合起来即利用复合判据进行判断；D项中使用催化剂只能降低反应的活化能，不能改变反应的方向。【答案】B【规律方法】焓变和熵变都是与反应能否自发进行有关的因素，但又都不能独立地作为反应自发性的判据，要判断反应进行的方向，必须综合考虑体系的焓变和熵变对反应方向的综合影响。变式训练1能用能量判据判断下列过程的方向的是()A．水总是自发地由高处往低处流B．放热反应容易自发进行，吸热反应不能自发进行C．有序排列的火柴散落时成为无序排列D．多次洗牌以后，扑克牌的毫无规律的混乱排列的几率大解析：选A。A项，水总是自发由高处往低处流，有趋向于最低能量状态的倾向。B项，吸热反应也可以自发进行。C项，有序排列的火柴散落时成为无序排列，有趋向于最大混乱度的倾向，应用熵判据。D项，扑克牌的无序排列也应用熵判据。焓变和熵变对反应方向的共同影响由焓判据知放热反应是易进行的；由熵判据知熵值增加是自发的。很多情况下用不同的判据判定同一个反应，可能会出现相反的判断结果。因此，必须综合焓判据和熵判据来判定某一反应的过程。1．复合判据(自由能判据)在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔG＝ΔH－TΔS0的方向进行，直到达平衡状态。2．复合判据与反应能否自发进行的关系ΔG＝ΔH－TΔS0反应能自发进行ΔG＝ΔH－TΔS＝0反应达到化学平衡状态ΔG＝ΔH－TΔS0反应不能自发进行3．应用例2灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0℃、100kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知在0℃、100kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2180.9J·mol－1，ΔS＝－6.61J·mol－1·K－1)()A．会变B．不会变C．不能确定D．升高温度才会变【思路点拨】题设条件――→计算ΔH－TΔS的数值――→根据正负判断反应进行的方向【解析】在等温、等压条件下，自发反应总是向着ΔH－TΔS0的方向进行，直至达到平衡状态。因此，在0℃、100kPa条件下，白锡会不会变为灰锡的问题就转化为求算反应：白锡―→灰锡的ΔH－TΔS值的问题。ΔH－TΔS＝－2180.9J·mol－1－273K×(－6.61J·mol－1·K－1)＝－376.37J·mol－10，因此在该条件下白锡会变为灰锡。【答案】A【规律方法】判断一个化学反应在一定温度下能否自发进行，应综合考虑焓变和熵变，根据复合判据ΔG＝ΔH－TΔS判断。互动探究试从化学反应进行的方向分析这个变化的原因。【提示】由题目信息：灰锡结构松散，白锡结构坚固，可知：灰锡晶体中的原子会重新排列，体积增大，也就是锡原子的活动范围增大，熵增大，也就是说白锡变成灰锡的过程是熵增的过程，根据熵判据可知，此过程是自发的。变式训练2电子工业中清洗硅片上的SiO2(s)的反应是SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(g)ΔH(298.15K)＝－94.0kJ/molΔS(298.15K)＝－75.8J/(mol·K)设ΔH和ΔS不随温度变化而变化，试求此反应自发进行的温度条件。解析：要使反应能够自发进行，则ΔH－TΔS0，即－94.0kJ/mol－T×[－75.8×10－3kJ/(mol·K)]0，T94.0kJ/mol75.8×10－3kJ/mol·K＝1240K，即只有在温度低于1240K时反应才能自发进行。答案：T1240K探究整合应用自由能的变化对反应方向的影响体系自由能变化(ΔG单位：kJ/mol)，综合考虑了焓变和熵变对体系的影响：ΔG＝ΔH－TΔS。(1)ΔG＝ΔH－TΔS0反应能自发进行；(2)ΔG＝ΔH－TΔS＝0反应达到平衡状态；(3)ΔG＝ΔH－TΔS0反应不能自发进行。例已知在100kPa、298.15K时石灰石分解反应：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)ΔH＝＋178.3kJ/molΔS＝＋160.4J/(mol·K)，则：(1)该反应________(填“能”或“不能”)自发进行；(2)据本题反应数据分析，温度________(填“能”或“不能”)成为反应方向的决定因素；(3)若温度能决定反应方向，则该反应自发进行的最低温度为________。【解析】(1)ΔG＝ΔH－TΔS＝178.3kJ/mol－298.15K×160.4×10－3kJ/(mol·K)＝130.5kJ/mol0，所以该反应不能自发进行。(2)因为该反应ΔH0、ΔS0，所以根据ΔG＝ΔH－TΔS可知在温度较高的时候，ΔG可能小于0。(3)根据ΔG＝ΔH－TΔS0时，反应可自发进行，则有：TΔH/ΔS＝1111.6K。【答