(共38张PPT)
第三节
化学反应的方向
化学反应进行的快慢
化学反应的限度
化学反应进行的方向
——化学反应速率
——化学平衡
——
反应方向问题为什么最后讨论?
如果反应已经发生,方向也就确定了,不再成为问题。
如果反应还没有发生,需要对它的能否发生做出判断,就需要建立有科学依据并且行之有效的判据。
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“无序”的自然现象,提出了互相关联的焓判据和熵判据。
一、自发过程与自发反应
1、自发过程:在一定条件下不需要外力作用就可以自动进行的自发过程。
☆共同特点:体系趋向于从高能状态转变为低能状态。
生活中的自发过程
(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) 铁器暴露在潮湿空气中会生锈。
化学反应中的自发过程
(1)甲烷燃烧:
CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)
△H=-802.3 kJ/mol
(2)铁生锈:
2Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s) △H= - 824 kJ/mol
(3)氢气和氧气反应:
2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H=-571.6 kJ/mol
共同点——
E反 >E生, △H<0
放热反应
2、自发反应:在给定的一组条件下,一个反应可以自发地进行到显著程度,就称为自发反应。
自发反应:在一定条件下不需外界帮助,一经引发就能自动进行的反应,称为自发反应。(百度百科)
(1)放热的自发反应:
①甲烷的燃烧反应:
CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-802.3 kJ/mol
②铁生锈:
3Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s) △H=- 824 kJ/mol
☆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。
(2)吸热的自发反应:
①碳酸铵的分解:
(NH4 )2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g) △H=+74.9 kJ/mol
②N2O5的分解:
2N2O5(g) = 4NO2(g)+O2(g) △H=+56.7kJ/mol
(3)生活中的自发过程:
①室温下冰块自动融化;
②煤气与空气点燃就燃烧。
③铁器暴露在潮湿空气中会生锈;
④自然界中水总是从高处往低处流;
⑤电流总是从电位高的地方向电位低的地方流动。
下列反应在一定条件下都能自发进行,你知道这些反应能自发进行的主要原因吗?
C3H8(g) + 5O2(g) = 3CO2(g) + 4H2O(l)
△H = -2217.5 kJ·mol-1
2Na(s) + Cl2(g) = 2NaCl(s) △H = -822 kJ·mol-1
4Fe(s) + 3O2(g) = Fe2O3(s)
△H = -1648.4 kJ·mol-1
H2(g) + F2(g) = 2HF(g) △H = -546.6 kJ·mol-1
道
知
你
吗
例如:
H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-286kJ/mol
1/2H2(g)+1/2Cl2(g)=2HCl(g) △H=-292kJ/mol
Na(s)+H2O(l)=NaOH(aq)+1/2H2(g)
△H=-184kJ/mol
2Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s) △H=-824kJ/mol
NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l)
△H=-56kJ/mol
在250C 1.01×105Pa时:
2N2O5(g)=2NO2(g)+O2(g)
△H=+56.7kJ/mol
(NH4)2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3
△H=+74.9kJ/mol
结论:△H < 0,有利于反应自发进行,但自发反应不一定△H < 0!
这些反应也能自发进行:
1、能量判据(焓判据)
反应物的总能量高
生成物的总能量低
放热反应
△H<0
1.焓判据:自发反应的体系趋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),这一经验规律就是焓判据,是判断化学反应进行方向的判据之一。
放热反应使体系能量降
低,能量越低越稳定, △H < O有利于反应自发
进行。
[规律]
①焓变是反应能否自发进行的一个重要因素,但不是
唯一的因素。只根据焓变来判断反应方向是不全面的。
② △H < O有利于反应自发进行,自发反应不一定非要 △H < O。
③ 还有一些吸热反应在室温下不能自发进行,但在高温下则能自发进行。
如:CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) △H=+178.2kJ/mol
[小结]放热反应使体系能量降低,能量越低越稳定,故
一般情况下, △H < O时有利于反应自发进行,但
并不是所有的放热反应都能自发进行;吸热反应在
一定条件下也能自发进行。
总之,吸放热与反应的自发与否无必然联系,反之亦然。
有序
混乱
二. 熵判据
火
柴
散
落
水
蒸
汽
扩
散
※墨水扩散
两种理想气体的混合可顺利自发进行
H2
O2
O2 H2
1. 熵(S):用来描述体系混乱(程)度的值,体系越混乱,熵值越大。
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,这一经验规律叫做熵增原理(△ S>0)。
△S = S(生成物总熵) -S (反应物总熵)
△S称熵变,单位为: J mol-1 K-1 。
熵增
自发过程
为了解释这样一类与能量状态的高低无关的过程的自发性,提出了在自然界还存在着另一种能够推动体系变化的因素→
1、同一物质气态时熵值最大,液态较小,固态时最小。
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加的反应。
导致混乱度增加的一些因素
清
识
知
单
S=69.9
S=47.9
S=188.7
S(g)>S(l)>S(s)
水的不同状态的熵的比较
对于同一物质:
冰
水蒸气
水
[分析]下列过程的熵变大于零还是小于零
① H2O(s)→H2O(l)→H2O(g)
② KOH(s)=K+(aq) + OH-(aq)
③ 2H2O2(l)==== 2H2O(l)+O2(g)
④2SO2(g)+ O2 2SO3(g)
MnO2
催化剂
△
△S>0
△S<0
△S>0
△S>0
注意:-10℃的液态水能自动结冰成为固态;因此熵判据判断过程的方向也是不全面的.
[规律]
① 化学反应的△S越大,越有利于反应自发进行,但自发反应不一定要求△S > O。
② △S > 0的反应不一定能自发进行。少数熵减小(△S<0)的反应,在一定条件下也可以自发地进行。
总之,熵增加与反应的自发与否无必然联系,反之亦然。
CaCO3(s) == CaO (s) +CO2 (g)这个
反应能否自发进行?
已知: △H(298K)=+178.2KJ mol-1,
△S(298K)=+169.6J mol-1 K-1
思考
三.复合判据 ( 自由能变化 △ G 的应用)
[思考与交流]一个化学反应能否自发进行,到底由哪些
判据来决定
化学反应的方向
反应的焓判据
反应的熵判据
共同 影响
放热
吸热
熵增
熵减
△H<0(放热) ,△S>0(熵增)有利于反应自发进行。
合二为一:自由能判据
△ G = △H - T △S
① 当△G<0时,反应自发进行;
② 当△G>0 时,反应不自发进行;
③当△G=0 时,平衡状态。
[规律]化学反应能否自发进行,既与反应焓变有
关,又与反应熵变有关,恒温、恒压下,
反应方向的判据是体系自由能变化(△ G)。
美国物理化学家吉布斯
不能确定
<0
>0
不能确定
在任何温度下
都能自发进行
在任何温度下
都不能自发进行
低温不能自发进行
高温能自发进行
低温能自发进行
高温不能自发进行
类型
△H
△S
△G=
△H-T△S
反应的自发性
1
2
3
4
+
+
-
+
+
-
-
-
[思考与交流]已知:△G<0时,反应自发进行; △G>0 时,反应不能自发进行。下列情况下反应能否自发进行?
NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)
△H <0 △S <0
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
△H >0 △S>0
练习:判断这两个反应什么条件下自发进行?
低温可行
高温可行
另外,反应能否自发还与温度有关
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
1.由焓判据知∶放热过程(△H﹤0)常常是自发进行的;
2.由熵判据知∶熵增加(△S﹥0)的过程多数自发进行的;
3.很多情况下,简单地只用其中一个判据去判断同一个反应,可能会出现相反的判断结果,所以我们应两个判据兼顾。由能量判据(以焓变为基础)和熵判据组合成的复合判据(体系自由能变化:△G = △H - T△S)将更适合于所有的反应过程;
总结
注意
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。
再如涂有防锈漆和未涂防锈漆的钢制器件,二者发生腐蚀过程的自发性是相同的,但只有后者可以实现。
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。
3. 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。例如水泵可以把水从低水位升至高水位;高温高压下可以使石墨转化为金刚石,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。
自发反应未必一定发生,不自发反应未必不会发生
1、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,据能量判据不能自发分解;
D、碳酸盐都不稳定,都能自发分解。
A
课堂练习
2、自发进行的反应一定是∶( )
A、吸热反应; B、放热反应;
C、熵增加反应; D、熵增加或者放热反应。
D
3、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,多数的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
C
4、以下自发反应可用能量判据来解释的是( )
A、硝酸铵自发地溶于水
B、2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g);△H=+56.7kJ/mol
C、(NH4 )2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g); △H=+74.9 kJ/mol
D、2H2(g)+O2(g)=2H2O(l); △H=-571.6 kJ/mol
D
D
5、下列反应中,熵减小的是( )
A. (NH4 )2CO3(s)=NH4HCO3(s)+NH3(g)
B. 2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)
C. MgCO3(s)=MgO(s)+CO2(g)
D. 2CO(g)=2C(s)+O2(g)
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6、某化学反应其△H= —122 kJ·mol-1, S= 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
[变式练习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。
D
[变式练习2]下列说法正确的是 ( )。
A.凡是放热反应都是自发的,而吸
热反应都是非自发的;
B.自发反应一定是熵增大,非自发反
应一定是熵减少或不变;
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
[变式训练3]下列说法正确的是( )。
A.放热反应一定是自发进行的反应
B.吸热反应一定是非自发进行的反应
C.自发进行的反应一定容易发生
D.有些吸热反应也能自发进行
D
[变式训练4]下列过程属于熵增加反应的是( )。
A.一定条件下水由气态变为液态
B.碳酸铵分解
C.散落的火柴的无序排列
D.CO点燃时生成CO2
B
[最新高考](2011·江苏高考12题改编)下列说法正确的是( )。
A. 一定温度下,反应MgCl2(S)=Mg(S)+ Cl2(g)的
△H>0 △S>0
B. C(g)+H2O(g) CO+H2(g) 达到平衡后,升高
温度平衡逆向移动
C. 铅蓄电池放电时的负极发生还原反应
D. 对于反应2H2O2=2H2O+O2↑, 加入MnO2或
升高温度都能加快O2的生成速率
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