2.1化学反应的方向（教学课件）(共29张PPT)—高中化学鲁科版（2019）选择性必修一

(共29张PPT)
化学反应的方向、限度与速率
第二章
2.1化学反应的方向
章节脉络
反应熵变与反应方向
反应焓变与反应方向
第二章
化学反应的方向、
限度与速率
2.2化学反应的限度
2.1化学反应的方向
2.3化学反应的速率
2.4化学反应条件的优化
——工业合成氨
用焓变与熵变综合判断反应方向
化学反应的方向
核心素养目标
1. 宏观辨识与微观探析
能从宏观层面敏锐捕捉自然界和生产生活中的自发过程，明确化学反应存在方向性特征。深入微观角度剖析过程本质，理解焓变体现的能量变化与物质稳定性关联，建立系统认知，实现对化学反应方向的本质性理解。
2. 证据推理与模型认知
依据实验数据推理影响反应方向的因素，构建协同作用的 G判断模型，预测反应自发进行的条件。
3. 科学探究与创新意识
针对复杂体系化学反应，能设计并实施探究实验，通过控制变量法研究温度、物质状态等因素对反应方向的影响。结合对反应方向原理的理解，尝试提出创新思路，调控反应方向以满足实际生产需求，培养科学探究能力与创新实践精神。
学习重难点
重点：
1. 理解焓变（ H）、熵变（ S）的概念及其对化学反应方向的影响，掌握常见过程熵变大小的判断方法。
2. 掌握吉布斯自由能（ G）判据，能运用公式 G = H - T S分析化学反应在不同条件下能否自发进行。
难点：
1. 深入理解熵变概念的抽象内涵，准确判断复杂体系的熵变情况。
2. 综合分析焓变、熵变和温度三者对 G的影响，理清不同温度条件下反应自发进行的规律。
课前导入
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重要大气污染物。
为了减轻大气污染，人们提出通过以下反应来处理汽车尾气的想法。
请判断该想法是否可行，并说明理论依据。
反应焓变与反应方向
PART 01
反应焓变与反应方向
在一定的条件下，无需外界帮助就能自发进行的过程。
自发过程
定义:
铁器暴露在潮湿空气中生锈
甲烷和氧气的混合气体
遇明火就燃烧
冰块融化
反应焓变与反应方向
多数能自发进行的化学反应是放热反应
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且反应放热：
4Fe(OH)2(s) + 2H2O(l) + O2(g) = 4Fe(OH)3(s)
ΔH = -444.3 kJ·mol-1
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 = +37.30 kJ·mol-1
反应焓变与反应方向
有一些反应焓变不大的吸热反应，在室温条件下不能自发进行，在高温条件下其焓变并没有显著减小，但反应却能自发进行，如碳酸钙的分解反应。
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)
ΔH (298 K) = +178.2 kJ·mol-1
ΔH (1200 K) = +176.5 kJ·mol-1
煅烧碳酸钙
反应熵变与反应方向
PART 02
反应熵变与反应方向
固体溶解过程的一个共同特点是固体中排列整齐的离子或分子进入溶剂，溶质的离子或分子由有序变为无序。
在这一过程中，体系的有序程度降低，无序程度增大。
反应熵变与反应方向
熵( S )
纯物质熵值的大小与物质的种类、数量、聚集状态以及温度、压强等因素有关。
——描述体系无序程度的物理量
固体
液体
气体
熵值越大，体系无序程度/混乱度越大。
同一物质：S(g) > S(l) > S(s)
反应熵变与反应方向
熵变（ ΔS ）
ΔS 为反应产物的总熵与反应物的总熵之差。
产生气体的反应和气体的物质的量增大的反应，反应熵变的数值通常都是正值，为熵增加反应，如：
ΔS =S反应产物－S反应物
对于确定的化学反应在一定条件下有确定的熵变
2H2O2(aq) = 2H2O(l) + O2(g) ΔS = +57.2 J·mol-1·K-1
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) ΔS = +169.6 J·mol-1·K-1
反应熵变与反应方向
C(s，石墨) + H2O(g) = CO(g) + H2(g) ΔS = +133.8 J·mol-1·K-1
NH4HCO3(s) + CH3COOH(aq) = CO2(g) + CH3COONH4(aq) + H2O(l)
ΔS = +184.0 J·mol-1·K-1
事实证明，熵增加有利于反应的自发进行。
有些熵减小的反应在一定条件下也可以自发进行
2Al(s) + Fe2O3(s) = Al2O3(s) + 2Fe(s) ΔS = -39.4 J·mol-1·K-1
用焓变与熵变综合判断反应方向
PART 03
用焓变与熵变综合判断反应方向
研究表明，在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，化学反应的方向可以用反应的焓变和熵变来综合判断，判据为ΔH－TΔS。
ΔH－TΔS < 0
反应正向能自发进行
ΔH－TΔS = 0
反应达到平衡状态
ΔH－TΔS＞0
反应正向不能自发进行
在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，自发反应总是向着ΔH - TΔS < 0 的方向进行，直至达到平衡状态。
用焓变与熵变综合判断反应方向
反应方向的吉布斯自由能判据
吉布斯自由能（符号 G）的定义式为 G = H - TS。ΔG 为反应的吉布斯自由能变：ΔG = ΔH - TΔS，表示的是一个封闭体系在等温、等压条件下做最大非体积功的能力。在等温、等压及除了体积功以外不做其他功的条件下，反应的方向可依据 ΔG 来判断：
ΔG < 0　反应正向能自发进行
ΔG = 0　反应达到平衡状态
ΔG > 0　反应正向不能自发进行
在以上条件下，自发反应总是朝着吉布斯自由能减小的方向进行，直至达到平衡状态。
用焓变与熵变综合判断反应方向
2KClO3(s) = 2KCl(s) + 3O2(g)
ΔH = -78.03 kJ/mol
ΔS = +494.4 J/mol/K
任何温度下都能正向自发进行
CO(g) = C(s , 石墨) + 1/2O2(g)
ΔH = +110.5 kJ/mol
ΔS = -89.4 J/mol/K
任何温度下都不能正向自发进行
　几个反应的焓变、熵变以及自发进行的可能性
用焓变与熵变综合判断反应方向
　几个反应的焓变、熵变以及自发进行的可能性
4Fe(OH)2(s) + 2H2O(l) + O2(g) = 4Fe(OH)3(s)
ΔH = -444.3 kJ/mol
ΔS = -280.1 J/mol/K
低温下能正向自发进行
CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)
ΔH = +178.2 kJ/mol
ΔS = +169.6 J/mol/K
高温下能正向自发进行
用焓变与熵变综合判断反应方向
反应方向与反应条件有关，不能随意将常温、常压下的结论用于其他温度、压强条件下发生的反应。
反应发生的条件有多种：
“ΔH - TΔS 判据”只能用于判断等温、等压及除了体积功以外不做其他功条件下反应正向自发进行的趋势，即反应发生的可能性，但它并不能说明在该条件下可能正向自发进行的反应能否实际发生，这是因为反应能否实际发生还涉及反应速率问题。
用焓变与熵变综合判断反应方向
用于汽车尾气净化的反应例析
对于反应：
2NO(g) + 2CO(g) = N2(g) + 2CO2(g)
根据计算，在 298 K、100 kPa下，该反应的 ΔH = -746.8 kJ·mol-1 、ΔS = -197.5 J·mol-1 ·K-1 ，ΔH -TΔS = -687.9 kJ·mol-1 。
ΔH -TΔS < 0，因此室温下反应能正向自发进行。
不过，该反应需要使用催化剂来加速。通常使用贵金属作为催化剂，将其装入汽车尾气净化器中，并将净化器与汽车尾气排放管道连接在一起。利用这个装置，人们可以有效地将汽车尾气中的污染物 NO 和 CO 同时除去。
一种汽车尾气净化器
课堂小结
化学反应的方向
反应焓变与反应方向
自发过程
反应熵变与反应方向
吸热反应
熵
放热反应
用焓变与熵变综合
判断反应方向
吉布斯自由能判据
熵变
1. 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
随堂训练
随堂训练
2. 下列反应中，一定不能自发进行的是( )
A.2KClO3(s)=2KCl(s)＋3O2(g)　ΔH＝－78.03 kJ/mol 　
B.CO(g)=C(s)＋O2(g)　ΔH＝110.5kJ/mol
C.4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)＝4Fe(OH)3(s) ΔH＝－444.3 kJ/mol
D.NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)＝CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)　
ΔH＝37.301 kJ/mol
B
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3. 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。现把白锡制造的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能继续使用(已知在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应的焓变和熵变分别为：ΔH = -2180.9 J·mol-1，ΔS = -6.61 J·mol-1·K-1)(　　)
A.会变 B.不会变 C.不能确定 D.升高温度才会变
A
随堂训练
4. 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
发进行的反应是放热反应
B.在同一条件下不同物质的熵值不同，其体系的混乱程度
越大，熵值越大
C.某反应能否自发进行取决于该反应是放热还是吸热
D.某反应能否自发进行，与焓变和熵变的共同影响有关
C
随堂训练
5. 已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个反应:
①CH4(g) === C(s)+2H2(g)，②2CH4(g) === C2H2(g)+3H2(g)。
某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到了如下热力学数据:
反应①的ΔH(298 K) = +74.848 kJ·mol-1，ΔS(298 K) = +80.674 J·mol-1·K-1
反应②的ΔH(298 K) = +376.426 kJ·mol-1，ΔS(298 K) = +220.211 J·mol-1·K-1
已知焓变和熵变随温度变化很小。请帮助这位同学回答如下问题：
(1)判断反应②高温自发还是低温自发:　　　(填“高温”或“低温”)。
(2)通过计算判断反应①在常温下能否自发进行　　　　　　　 。
(3)求算制取炭黑的允许温度范围　　　　　　　　　　　。
高温
能自发进行
927.8 K < T < 1709.4 K
谢谢观看