B4-2-1化學反應的方向

《化學反應速率和化學平衡》章節(jié)介紹3.化學反應進行的方向1.化學反應的速率2.化學反應的限度如何判斷一個化學反應在指定條件下能否發(fā)生，以及在什么條件下可能發(fā)生。一個可能發(fā)生的反應進行的程度如何，在允許的情況下如何通過改變反應條件獲得盡可能高的轉化率化學反應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，人們提出能否通過以下反應來處理汽車尾氣：2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)△H=－746.8kJ/mol的設想?？側蝿眨赫埬銖囊粋€化學工作者的視角出發(fā)，思考這個設計是否正確可行？從哪些角度來判斷一個設計是否正確可行？⑴該反應能否進行？⑵該反應的速率有多快，能否迅速降低尾氣中的CO和NO的含量？⑵該反應的進行的程度如何，能否將尾氣中的CO和NO的盡可能多的轉化為N2和CO2？反應是向正方向進行，還是向逆方向進行？哪些因素影響反應進行的方向？如何判斷反應進行的方向？生活中的自發(fā)過程自發(fā)過程：在一定的條件下，不用借助外部力量就能自動進行的過程。水由高處流向低處的過程、熱由高溫物體傳向低溫物體的過程都屬于自發(fā)過程。非自發(fā)過程：必須外界持續(xù)做功，否則，過程就會停止。自發(fā)過程的特征：有明確的方向性，要逆轉必須借助外界做功自發(fā)反應有從高能狀態(tài)轉變?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Cu(s)+2AgNO3(aq)=Cu(NO3)2(aq)+2Ag(s)△H=－

181.75kJ·mol-1Cu和AgNO3反應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

反應焓變可作為判斷一個反應能否自發(fā)的依據(jù)。

焓減小有利于反應自發(fā)，它是自發(fā)反應的一個內在推動力?！鱄＜0，正向反應能自發(fā)進行；△H＞0，正向反應不能自發(fā)進行，而逆向反應能自發(fā)進行。是不是自發(fā)過程都放熱？

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不少吸熱反應也能自發(fā)進行H2O(s)=H2O(l)

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

△H(1200K)=+176.5KJ?mol-1

一些吸熱反應在室溫條件下不能自發(fā)進行，但在較高溫度下則能自發(fā)進行。反應焓變是與反應能否自發(fā)進行有關的一個因素，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？你能描述這個變化的特點嗎？有序無序氫氧化鈉晶體Na+、OH-通過靜電作用(化學鍵)按一定規(guī)律緊密排列在水分子的作用下化學鍵被破壞溶于水變亂是能自發(fā)進行的原因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)下列吸熱反應屬于自發(fā)反應，為什么？你能否從“火柴散落”中得到什么啟發(fā)？這三個反應都生成了氣體，微粒運動的空間擴大了，整個反應體系“變亂”了。資料1：科學家規(guī)定每一種宏觀現(xiàn)象對應的微觀狀態(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，這個變化結果又會是怎樣的？你能定量地表征這種變化嗎？資料2：在統(tǒng)計熱力學上，用一個函數(shù)來表示體系的混亂度，該函數(shù)就是“熵”，符號為“S”，科學家玻爾茲曼定義了S＝k㏑Ω。這就是著名的“玻爾茲曼熵關系式”。(1)熵：描述體系混亂度的物理量，符號：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（反應物）熵與熵變對于確定的化學反應，在一定條件下具有確定的熵變。思考：根據(jù)“火柴散落”，請思考“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熵值的特點物質熵值大小與物質的狀態(tài)有關：S(g)>S(l)>S(s)判斷下列過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：產生氣體的反應，氣體的物質的量增大的反應，反應熵變的數(shù)值通常都為正值，為熵增加反應。△S<0△S>0△S>0△S>0判斷下列反應的焓變和熵變是否有利于反應自發(fā)進行？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的自發(fā)性有關，要判斷反應進行的方向，必須綜合考慮焓變和熵變。美國物理化學家吉布斯△G=△H-T△S

在溫度、壓強一定的條件下，化學反應的方向是反應的焓變和熵變共同影響的結果，反應方向的判據(jù)為吉布斯自由能△G。

＜0

反應能自發(fā)進行＝0

反應處于平衡狀態(tài)＞0

反應非自發(fā)，逆過程為自發(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

焓變熵變化學反應能否自發(fā)進行任何溫度下正向反應都是自發(fā)過程任何溫度下正向反應都不自發(fā)進行H<0H<0H>0H>0S>0S>0S<0S<0升溫不利于正向反應升溫有利于正向反應△H△S?H>0?S>0高溫下反應能自發(fā)進行?H<0?S<0所有溫度下反應不能自發(fā)進行?H<0?S>0所有溫度下反應自發(fā)進行?H<0?S<0低溫下反應能自發(fā)進行例：已知反應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)請判斷室溫下該反應能否自發(fā)進行?(2)研究發(fā)現(xiàn)該反應自發(fā)進行的速率極慢，效果非常不理想，不少科學家致力于研制催化劑來加快該反應的速率。某溫度下，用氣體傳感器測得尾氣中不同時間的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.因為該反應的△H-T△S=-113.0-298×(-145.3)×10-3

=—69.68kJ/mol<0,

說明該反應在理論上是可行的，有可能用于消除汽車尾氣中的NO。(2)不能。因為從△H-T△S這個關系式以及△H=-113.0kJ/mol，△S=-145.3J·mol-1·K-1來看，隨著T(溫度)的升高，會使△H-T△S>0，即反應在較高的溫度下不能自發(fā)進行。當△H-T△S=0時，T=777.7K即該反應能夠自發(fā)進行的最高溫度為777.7K。說明在汽車的發(fā)動機中（溫度高于2000K）不可能進行該反應。課堂小結1、自發(fā)反應：在一定溫度、壓強下，不借助(光、電能等）外部力量即能進行，或具有發(fā)生的可能性的反應。2、自發(fā)過程的兩大變化趨勢：（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)進行△G=0平衡狀態(tài)△G>0不能進行判斷化學反應的趨勢，而不能反映化學反應的程度和速率。1．反應的自發(fā)性只能用于判斷反應的方向，不能確定反應是否一定會發(fā)生和過程發(fā)生的速率。例如金剛石有向石墨轉化的傾向，但是能否發(fā)生，什么時候發(fā)生，多快才能完成，就不是能量判據(jù)和熵判據(jù)能解決的問題了。注意2、反應的自發(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，這一反應就是自發(fā)的反應。注意3．在討論過程的方向時，指的是沒有外界干擾時體系的性質。如果允許外界對體系施加某種作用，就可能出現(xiàn)相反的結果。例如石墨經(jīng)高溫高壓還是可以變?yōu)榻饎偸?，實現(xiàn)的先決條件是要向體系中輸入能量，該過程的本質仍然是非自發(fā)性的。在環(huán)境學家看來熵增就是污染——衰老是生命系統(tǒng)的熵的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度

增大，當熵值達極大值時即死亡，這是一個不可抗拒的自然規(guī)律?！菊n堂達標測試】1、下列說法不正確的是（）A.焓變是一個與反應能否自發(fā)進行有關的因素，多數(shù)能自發(fā)進行的反應都是放熱反應。B.在同一條件下不同物質有不同的熵值，其體系的混亂程度越大，熵值越大。C.一個反應能否自發(fā)進行取決于該反應放熱還是吸熱D.一個反應能否自發(fā)進行，與焓變和熵變的共同影響有關C2.試根據(jù)熵的定義判斷下列過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分解△S<0△S>0△S<0△S<0△S>03.25℃和1.01×105Pa時，反應2N2O5(g)＝4NO2(g)+O2(g)△H=+56.76kJ/mol，自發(fā)進行的原因是()A.是吸熱反應

B.是放熱反應

C.是熵減少的反應

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

A.其分解是因為生成了易揮發(fā)的氣體，使體系的熵增大

B.其分解是因為外界給予了能量

C.其分解是吸熱反應，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“△S>0的反應能自發(fā)進行”這一觀點，利用所給試劑設計實驗進行證明和證偽。試劑：CaCl2(aq)、HCl(aq)、Na2CO3(aq)書寫化學反應方程式并說出證明或證偽的理由。作業(yè)（寫到作業(yè)本上）2.總結判斷反應能否自發(fā)進行的方法，并舉例說明。END大象、獵豹、駱駝決定一同進入沙漠尋找生存的空間。在進入沙漠前，天使告訴它們，進入沙漠以后，只要一直向北走，就能找到水和食物。

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