化学人教版（2019）选择性必修第一册 2.3.化学反应进行的方向课件(共37张PPT)

(共37张PPT)
第二章　化学反应速率与化学平衡
第三节　化学反应进行的方向
1、自发过程：在一定条件下，不需要外力作用就能自动进行的过程；
2、非自发过程：在一定条件下，需持续借助人为作用才能进行的过程。或者说何在一定条件下，需要外界做功才能进行的过程。
一、自发过程与非自发过程
特点：体系趋向于从高能状态转变为低能状态。在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向。特征：有明确的方向性，要逆转必须借助外界做功；具有做功的本领。如水由高处流向低处。
非自发过程要想发生，则必须对它做功，如利用水泵可将水从低处流向高处，通电可将水分解生成氢气和氧气。
3、生活中常见的自发过程
(1)自然界中水由高处往低处流，而不会自动从低处往高处流；
(2)生活中电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动，其反方向也不会自动进行；
(3)生活中一般在室温下冰块会融化；铁器暴露在潮湿空气中会生锈；甲烷和氧气的混合气体遇明火就燃烧；物体自由落体；气体自由扩散；墨水会扩散等。这些过程都是自发的，其逆过程就是非自发的。
4、化学反应中的自发过程:
(1)3Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s) 　△H=-824 kJ/mol
(2) 2Na(s) + 2H2O (l) = 2NaOH + H2 (g) △H=－368 kJ/mol
(3)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l ) △H=－571.6kJ/mol
共同点——放热反应　△H＜0
自发过程体系取向于从高能状态转变为低能状态(这时体系会对外部做功或释放热量)，这一经验规律就是能量判据。
5、吸热的自发过程
(1)室温下冰块的融化；硝酸盐类的溶解等都是自发的吸热过程。
(2)N2O5分解： 2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g)； △H=+56.7kJ/mol
(3) 碳铵的分解：(NH4 )2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g);
△H=+74.9 kJ/mol
6、既不吸热也不放热的自发过程
两种理想气体的混合等
1、自发反应:在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应.
二、自发反应
自发过程和自发反应可被利用来完成有用功。如向下流动的水可推动机器 ，甲烷燃烧可在内燃机中被利用来做功，可将氢气燃烧反应设计成燃烧电池等。
注意：
(1)、自发反应需要的“一定条件”和非自发反应需要的“外力作用”的区别。
(2)、自发反应是一种趋势，与反应速率无关。
(3)、“非自发反应”和“不能发生的反应”的差别。
☆特征：具有方向性，即反应在某个方向在一定条件下是自发的，其逆方向的反应在该条件下肯定不自发。
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。
思考
2.化学反应的自发性与反应焓变的关系
(1)放热反应:绝大多数都能自发进行,且反应放出的热量越多,体系能量降低得也越多,反应越完全。
(2)吸热反应:有些也能自发进行。
(3)结论:反应的焓变是制约化学反应能否自发进行的因素之一,但不是唯一因素。
(1)熵:在密闭条件下，体系由有序自发地转变为无序的倾向称为熵。
熵是衡量一个体系混乱度的物理量,即表示体系的不规则或无序状态程度的物理量。由大量粒子组成的体系中，用熵来描述体系的混乱度，混乱度越大,体系越无序,体系的熵就越大。或者说熵值越大，体系混乱度越大。它是热力学上用来表示混乱度状态的物理量，符号为S，单位：J·mol-1·K-1
3.化学反应的自发性与熵变的关系
混乱度：表示体系的不规则或无序状态。——混乱度的增加意味着体系变得更加无序
(2)物质熵大小的判断
①体系的无序性越高，即混乱度越高，熵值就越大。
②物质的存在状态:对于同一物质,等物质的量的该物质其熵值大小与物质的存在状态有关,气态时熵值最大,固态时熵值最小,而液态时介于二者之间,物质的状态与熵大小的关系:S(g)>S(l)>S(s)。
③与物质的分子结构有关:S(CH4) < S(C2H6) < S(C3H8) < S(C4H10)
④熵值与物质的量的关系： 物质的量越大，分子数越多，熵值越大。
(3)熵变（符号△S）
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。
△S=S产物总熵－S反应物总熵
导致熵增(△S＞0）的一些因素
1、同一物质状态改变：
2、固体的溶解过程、墨水扩散过程和气体扩散过程。
3、反应过程中气体物质的量增多的反应。
4. 生成气体的反应。
固态
液态
气态
熵增
熵增
(3)熵变与反应方向
①含义:大多数自发反应有趋向于体系混乱度增大的倾向,导致体系的熵增大，这是自然界的普遍规律。
②规律:大多数熵增加的反应都能自发进行。
③局限性:少数熵减少的反应在一定条件下也可以自发进行,如NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)。
④结论:熵变是影响反应自发进行的因素之一,但不是唯一因素。
【思考】什么样的体系,自发过程才向着熵增的方向进行
提示:孤立体系或绝热体系。
熵与环境：熵增就是污染
熵与信息：熵是量度我们对一个系统的“不知程度”的量
熵与生命：
生命的基本特征是新陈代谢，从熵的角度看新陈代谢实际上是生命体汲取低熵排出高熵物质的过程。当系统的总熵变小于零时，生命处在生长、发育的阶段，向着更加高级有序的结构迈进。当总熵变为零时，生命体将维持在一个稳定、成熟的状态，而总熵变大于零的标志则是疾病、衰老、死亡。
三、判断化学反应方向的依据
对于化学反应，体系趋向于从高能状态转变为低能状态（这时体系会对外做功或者释放热量～△H ﹤0）
因此：反应的焓变是制约化学反应是否自发进行的因素之一。
1、 能量判据
也叫焓判据
焓判据是判断化学反应进行方向的判据之一。
能量判据（焓判据）∶体系趋向于从高能状态转变为低能状态（△H ﹤0）。
但是，有不少吸热反应也能自发进行，
如∶ NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CO2(g)
+CH3COONH4（aq）+H2O（l）；
△H（298K）=＋37.3KJ/mol
还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，如在室温下吸热反应的碳酸钙分解反应不能自发进行，但同样是这个吸热反应在较高温度（1200K）下则能自发进行。
放热反应过程中体系能量降低,因此具有自发进行的倾向
------- 焓（△H）判据
由此可见，△H < O有利于反应自发进行，但自发反应不一定要△H < O
运用能量判据主要依据反应焓变，而焓变（△H）的确是一个与反应能否自发进行的因素，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。
2、熵判据
在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大（△S＞0）这个原理叫做熵增原理。该原理是用来判断过程的方向的又一个因素，又称为熵判据。
固体的溶解过程、墨水扩散过程和气体扩散过程。都是熵增的过程。
2N2O5(g)=4NO2(g)+O2 (g)
(NH4) 2CO3(s) = NH4HCO3(s)+NH3(g)
△S ﹥ O
产生气体的反应、气体物质的物质的量增大的反应，熵变通常都是正值（ △S ＞0），为熵增加的反应。许多熵增反应在常温常压下能自发进行，有些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。
熵判据：体系趋向于由有序状态转变为无序状态，即混乱度增加（△S＞0）。且△S越大，越有利于反应自发进行。
结论：△S > O有利于反应自发进行，自发反应不一定要△S > O
-10℃的液态水能自动结冰成为固态，铝热反应是熵减反应，2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)也是熵减反应，它们在一定条件下也可自发进行。故熵变是反应能否自发进行的一个因素,但不是惟一因素。因此熵判据判断过程的方向也是不全面的。
思考与交流：自发反应一定是熵增加的反应吗？
1、物质具有能量趋于降低的趋势
焓(H)判据
H(焓变)<0
焓减原理
2、物质有混乱度趋于增加的趋势
熵(S)判据
S(熵变)>0
熵增原理
焓判据与熵判据判断反应的自发性
△H<0 △S>0
焓变 熵变 反应的自发性
要正确判断一个化学反应能否自发进行,必须综合考虑反应的焓变△H和熵变△S
反应能够自发进行
△H<0 △S<0
？
△H>0 △S>0
？
△H>0 △S<0
反应不能自发进行
小结
1、能量判据：自发过程的体系取向于从高能状态转变为低能状态(这时体系会对外部做功或释放热量)，这一经验规律就是能量判据。
2、熵判据：自发过程的本质取向于由有序转变为无序，导致体系的熵增大，这一经验规律叫做熵增原理，是反应方向判断的熵判据。
(2)对于密闭体系，在恒压和不作其他功的条件下发生变化，吸收或放出的热量等于体系的焓的变化。
(3)在密闭条件下，体系有由有序自发地转变为无序的倾向，这种推动体系变化的因素称作熵。
(4)同一物质，在气态时熵最大，液态时次之，固态时最小。
说明：(1)自发过程取向于最低能量状态的倾向(即能量判据)；自发过程取向于最大混乱度的倾向(即熵判据)
3、自由能与化学反应的方向
(1)体系的自由能变化(符号ΔG,单位kJ·mol-1)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响,可用于判断化学反应自发进行的方向,表达式为ΔG=ΔH-T·ΔS 。在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向ΔG<0的方向进行。
(2)ΔG不仅与焓变和熵变有关,还与温度有关。
①ΔH<0,ΔS>0,则反应一定能自发进行;
②ΔH>0,ΔS<0,则反应一定不能自发进行;
③ΔH<0,ΔS<0或ΔH>0,ΔS>0,反应可能自发进行,也可能不自发进行,与反应的温度有关。
4、化学反应方向的复合判据（----自由能△Ｇ）
在温度、压强一定的条件下,自发反应总是向ΔG=ΔH-TΔS<0的方向进行,直至达到平衡状态。在恒温、恒压下，用 G判断化学反应在该状况时自发进行的方向显得更为科学（当 G <0时可自发进行）。
(1)ΔH<0、ΔS>0时,则ΔH-TΔS<0,任何温度下反应均能自发进行。
(2)ΔH>0、ΔS<0时,则ΔH-TΔS>0,任何温度下反应均不能自发进行。
(3)ΔH>0、ΔS>0时,则ΔH-TΔS在较高温度时可能小于零,所以高温有利于反应自发进行。
(4)ΔH<0、ΔS<0时,则ΔH-TΔS在较低温度时可能小于零,所以低温有利于反应自发进行。
反应在该状况下能否自发进行
＜０ ＞０
＞０ ＜０
＞０ ＞０
＜０ ＜０
H
Ｓ
Ｇ
＜０
＞０
低温时＞０,高温时＜０
低温时＜０,高温时＞０
自发进行
不自发进行
低温不自发,高温自发
低温自发,高温不自发
△S
△H
H<0
S>0
所有温度下
反应自发进行
H>0
S>0
高温下
反应自发进行
H<0
S<0
低温下
反应自发进行
H<0
S<0
所有温度下
反应不能自发进行
图解如下:
(5)当 H<0, S<0 ,或 H>0 , S>0 时,反应是否自发进行与温度有关，一般低温时焓变影响为主，高温时，熵变影响为主，而温度影响的大小要 H、 S的具体数值而定。
放热反应 熵减反应
判断下列反应的进行趋势
NH3(g) + HCl(g) == NH4Cl(s)
△H < 0
△S < 0
低温对此类反应有利
高温对此类反应不利
△G = △H - T△S
H > 0 S > 0
高温对此类反应有利
低温对此类反应不利
NH4Cl(s) == NH3(s) + HCl(g)
1．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。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。再如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。
注意
2．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；水泵可以把水从低水位升至高水位。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。
例题1:对于化学反应能否自发进行,下列说法中错误的是(　　)
A.若ΔH<0,ΔS>0,任何温度下都能自发进行
B.若ΔH>0,ΔS<0,任何温度下都不能自发进行
C.若ΔH>0,ΔS>0,低温时可自发进行
D.若ΔH<0,ΔS<0,低温时可自发进行
C
解析:
练习:某反应2AB(g) C(g)+3D(g)在高温时能自发进行,其逆反应在低温时能自发进行,则该反应的ΔH、ΔS应为(　　)
A.ΔH<0、ΔS>0　　　　B.ΔH<0、ΔS<0
C.ΔH>0、ΔS>0 D.ΔH>0、ΔS<0
C
解析:A项,ΔH<0、ΔS>0时,ΔH-TΔS在任何温度下小于0;B项,ΔH<0,ΔS<0时,ΔH-TΔS在低温下可能小于0;C项,ΔH>0、ΔS>0时,ΔH-TΔS在高温下可能小于0;D项,ΔH>0、ΔS<0时,ΔH-TΔS在任何温度下大于0。
例2：下列说法正确的是( )
A、凡是放热反应都是自发的，由于吸热反应都是非自发性的。
B、自发反应一定是熵增大，非自发反应一定是熵减小或不变
C、自发反应在恰当条件下才能实现。
D、自发反应在任何条件下都能实现。
C
解析：放热反应常常是容易进行的过程，吸热反应有些也是自发的；自发反应的熵不一定增大 ，可能减少，也可能不变。过程的自发性只能用于判断过程的方向，是否能实现还要看具体的条件。
利用ΔG=ΔH-TΔS判断反应进行方向的方法
1.怎样用自由能变化ΔG判断化学反应自发进行的方向
2.能够自发进行的反应在常温下就一定能够发生吗
答案:体系自由能变化ΔG=ΔH-TΔS,其中ΔH为焓变,ΔS为熵变,T为热力学温度。在一定的温度和压强下,将ΔH、ΔS、T的数值代入上述公式,若ΔG<0,则该条件下的反应为自发反应,若ΔG>0,则该条件下的反应不能自发进行。
答案:不一定;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。
能量判据和熵判据的应用
(1)由能量判据知：放热过程常常是容易进行的。
(2)由熵判据知：若干熵增的过程是自发的。
(3)很多情况下，简单地只用其中一个判据判断同一个反应，可能会出现相反的判断结果，所以应两个判据兼顾。由能量判据(以焓变为基础)和熵判据组合成的复合判据(吉布斯自由能变△G)将更适合于所有的过程。
(4)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。如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现。
(5)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。如水泵可以把水从低水位升至高水位；用高温可使石灰石分解。实现后者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。
(6)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。
(1)自发反应一定很容易发生。 (　　)
(2)O2转化变为O3时,熵减小。 (　　)
(3)同种物质气态时熵值最大。 (　　)
(4)合成氨反应N2+3H2 2NH3　ΔH<0,高温有利于其自发进行。 (　　)
(5)能自发进行的反应不一定真的能发生。 (　　)
(6)由焓判据和熵判据组合而成的复合判据,将更适合于所有的过程。 (　　)
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
×
×
√
√
√
√
2.研究过程自发性的目的是(　　)
A.判断过程的方向 B.确定过程是否一定发生
C.判断过程发生的速率 D.判断过程的热效应
A
解析:研究过程的自发性用于判断过程的方向,不能确定过程是否一定会发生、过程发生的速率、过程的热效应等。
3.下列反应中,在一定温度下,属于自发进行的吸热反应的是(　　)
A.NaOH与HCl反应
B.CO与O2点燃
C.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应
D.SO3与H2O反应
C
解析:题中4个反应在一定温度下都可自发进行,但只有C项是吸热反应。
4.反应CH3OH(l)+NH3(g)=CH3NH2(g)+H2O(g)在某温度下才能自发向右进行,若反应的|ΔH|=17 kJ·mol-1,该温度下|ΔH-TΔS|=17 kJ·mol-1,则下列选项中正确的是(　　)
A.ΔH>0,ΔH-TΔS<0
B.ΔH<0,ΔH-TΔS>0
C.ΔH>0,ΔH-TΔS>0
D.ΔH<0,ΔH-TΔS<0
A
解析:根据方程式可知该反应的ΔS>0,如果ΔH<0,则该反应在任何温度下都自发进行,不符合事实,故ΔH=+17 kJ·mol-1>0,所以选A项。
5.某化学反应的ΔH=-122 kJ·mol-1,ΔS=+231 J·mol-1·K-1,则此反应在下列哪种情况下可自发进行(　　)
A.在任何温度下都能自发进行
B.在任何温度下都不能自发进行
C.仅在高温下自发进行
D.仅在低温下自发进行
A
解析:题中ΔH<0、ΔS>0,故必有ΔH-TΔS<0,故在任何温度下都能自发进行。