逍遥学能 2013-03-18 11:38
一. 教学内容：反应进行的方向
二. 教学目标：
了解焓、熵的概念，了解反应的焓变和反应的熵变的含义
能初步用化学反应的焓变与熵变的计算来分析判断化学反应的进行方向
三. 教学重点、难点：
用化学反应的焓变与熵变的计算来分析判断化学反应的进行方向
四. 教学过程：
科学家根据反应体系中存在着力图使自身能量趋于“最低”和“有序”变为“无序”的自然现象，对于化学反应进行的方向，提出了互相关联的能量判据和熵判据，即凡是能够使反应体系能量降低、熵增大的反应方向，就是化学反应容易进行的方向。但对于一个具体的反应，需应用两个判据综合进行分析，不能片面地做结论。
（一）自发过程与非自发过程：
不借助外力可以自动进行的过程称为自发过程，而必须在外力的作用下才能进行的过程为非自发过程。
说明：
1、体系有着趋于从能量高的状态变为能量低的状态的过程，此时体系对外界做功或放出能量?D?D这一经验规律就是能量判据。能量判据又称焓判据，即△H< 0的反应有自发进行的倾向，焓判据是判断化学反应进行方向的判据之一。
2、多数能自发进行的化学反应是放热反应。即反应物的总能量大于生成物的总能量。但并不是放热反应都能自发进行，也不是讲吸热反应就不能自发进行。某些吸热反应也能自发进行，如氯化铵与氢氧化钡晶体的反应，还有一些吸热反应在高温下也能自发进行。
3、混乱度：表示体系的不规则或无序状态。?D?D混乱度的增加意味着体系变得更加无序。熵是热力学上用来表示混乱度的状态函数，符号为S，单位为：J?mol-1?K-1 。?D?D体系的无序性越高，即混乱度越高，熵值就越大。
4、在相同条件下，不同物质的熵值不同，同一物质在不同状态时的熵值大小也不一样，一般而言：固态时熵值最小，气态时熵值最大。
5、熵变：化学反应中要发质的变化或物质状态的变化，因此存在混乱度的变化，叫做熵变，符号：△S △S＝S产物－S反应物。在密闭条件下，体系由有序自发地转变为无序的倾向?D?D熵增
6、自发过程的熵判据：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，是判断化学反应方向的另一判据?D?D熵判据。
7、判断某一反应能否自发进行，要研究分析：焓判据和熵判据对反应方向的共同影响。
（二）化学反应进行的方向：
在一定的条件下，一个化学反应能否自发进行，既可能与反应的焓变有关，又可能与反应的熵变有关。在温度、压力一定的条件下，化学反应的方向是熵变和焓变共同影响的结果，反应的判据是：DH－TDS（Ｔ为热力学温度，均为正值）。
DH－TDS<0，反应能自发进行；
DH－TDS＝0，反应达到平衡状态；
DH－TDS>0，反应不能自发进行。
即：在温度、压力一定的条件下，自发反应总是向DH－TDS<0的方向进行 高中数学，直至达到平衡状态。
说明：
1、在判断反应的方向时，应同时考虑焓变和熵变这两个因素。
2、在温度、压强一定的条件下，化学反应自发进行的方向的判据是：
△G ＝ △H－T△S
其中：G 叫作吉布斯自由能。则：
△G ＝ △H －T△S ＜ 0 反应能自发进行
△G ＝ △H －T△S ＝0 反应达到平衡状态
△G ＝ △H－T△S ＞0 反应不能自发进行
3、在温度、压强一定的条件下，焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向。放热反应的焓变小于零，熵增加反应的熵变大于零，都对DH－TDS<0作出贡献，因此，放热和熵增加有利于反应自发进行。即放热的熵增加反应一定能自发进行，而吸热的熵减小反应一定不能自发进行。
4、当焓变和熵变的作用相反时，如果二者大小相差悬殊，可能某一因素占主导地位。焓变对反应的方向起决定性作用，DH－TDS<0，常温、常压下放热反应能自发进行；熵变对反应的方向起决定性作用，则熵增较大的反应在常温常压下能自发进行。
5、当焓变和熵变的作用相反，且相差不大时，温度有可能对反应进行的方向起决定性作用，使TDS的值大于DH值，反应能够自发进行。
6、在恒温、恒压下，用DG判断化学反应在该状况时自发进行的方向可列表表示：
焓变DH
熵变DS
△G
反应在该状况下能否自发进行
＜０
＞０
＜０
自发进行
＞０
＜０
＞０
不自发进行
＞０
＞０
低温时＞０,高温时＜０
低温不自发,高温自发
＜０
＜０
低温时＜０,高温时＞０
低温自发,高温不自发
7、△H －T△S只能用于说明该反应在理论上能否在此条件下发生，是一个化学反应发生的必要条件，只是反应的可行性问题。过程的自发性只用于判断过程的方向，并不能确定该反应在此条件下是否一定会发生以及过程发生的速率。
8、△H －T△S只用于一定温度和压强下的化学反应方向的判断，不能说明在其他条件下该反应的方向问题。
【典型例题】
例1. 下列关于冰熔化为水的过程判断正确的是 （ ）
A、DH＞０，DS＜０ B、DH＜０，DS＞０
C、DH＞０，DS＞０ D、DH＜０，DS＜０
解析：物质的状态的变化过程中，液化和固化是放热过程，熔化和汽化是吸热过程，故DH＞０；冰融化为水，分子活动增强，混乱度增加，故DS＞０。
答案：C
例2. 已知氧化性：Cl2＞Br2＞Fe3＋＞I2；还原性：I－＞Fe2＋＞Br－＞Cl－。下列反应能正向自发进行的是： （ ）
A、Br2＋2 Fe2＋＝2 Fe3＋＋2 Br－ B、2 Fe3＋＋2 I－＝2 Fe2＋＋I2
C、I2＋2 Fe2＋＝2 Fe3＋＋2 I－ D、2 Fe3＋＋2 Cl－＝2 Fe2＋＋Cl2
解析：氧化还原反应的方向是：强氧化剂与强还原剂反应生成弱氧化剂和弱还原剂。即氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性，还原剂的还原性大于还原产物的还原性。则A、B符合题意。C中，氧化性I2 ＞Fe3＋，D中氧化性：Fe3＋＞Cl2，均不符合题意。均不符合氧化还原反应进行的方向原则。
答案：AB
例3. 已知：CuSO4溶液分别与Na2CO3溶液、Na2S溶液的反应情况如下：
（1）：CuSO4＋Na2CO3
Cu2＋＋CO32－＋H2O＝Cu（OH）2↓＋CO2↑ （主要）
Cu2＋＋CO32－＝CuCO3↓ （次要）
（2）CuSO4＋Na2S
Cu2＋＋S2－＝CuS↓ （主要）
Cu2＋＋S2－＋2H2O＝Cu（OH）2↓＋H2S↑ （次要）
则下列物质的溶解度的比较正确的是： （ ）
A、Cu（OH）2 ＞CuCO3 ＞CuS B、Cu（OH）2＜CuCO3 ＜CuS
C、CuS ＞Cu（OH）2＞CuCO3 D、CuS ＜Cu（OH）2 ＜CuCO3
解析：本题是有关物质的溶解度的大小的问题。主要进行的方向是物质的溶解度越小的方向。即：由（1）可知：Cu（OH）2的溶解度小于CuCO3的溶解度，由（2）可知：Cu（OH）2的溶解度大于CuS的溶解度。故本题为：D
答案：D
例4. 已知反应2NO（g）＋2CO（g）＝N2（g）＋2CO2（g）在298K、100kPa的条件下，其DH＝－113.0kJ/mol，DS＝－145.3J/molK。
= 1 \* GB2 （1）请讨论该反应是否能用于消除汽车尾气中的NO？请说明理由。
= 2 \* GB2 （2）已知汽车发动机内的温度高于2000K。能否设计一个装置使该反应在发动机中进行？请分析说明。若假定该反应的DH随温度的变化忽略不计，请计算使该反应能够自发进行的最高温度。
解析：
= 1 \* GB2 （1）能。因为该反应的DH－TDS＝－113.0－298×（－145.3）×10－3＝－69.68kJ/mol＜０，说明该反应在理论上是可行的，故有可能用于消除汽车尾气中的NO。
= 2 \* GB2 （2）不能。因为从DH－TDS这个关系式以及DH＝－113.0kJ/mol，DS＝－145.3J/molK来看，随着T（温度）的升高，会使DH－TDS＞０，即反应在较高的温度下不能自发进行。说明在汽车的发动机中不可能进行该反应。
根据即该反应能够自发进行的最高温度为777.7K。
答案： = 1 \* GB2 （1）能。因为该反应的DH－TDS＜０
= 2 \* GB2 （2）不能。因为随着T（温度）的升高，会使DH－TDS＞０。该反应能够自发进行的最高温度为777.7K
【模拟】
1、已知金刚石和石墨在氧气中完全燃烧的热化学方程式为：
① C （金刚石、s）＋O2 （g） ＝CO2 （g） △H1＝－395.41kJ/mol
② C （石墨、s）＋O2 （g） ＝ CO2 （g） △H2＝－393.51kJ/mol
关于金刚石与石墨的转化，下列说法正确的是
A、金刚石转化成石墨是自发进行的过程 B、石墨转化成金刚石是自发进行的过程
C、石墨比金刚石能量低 D、金刚石比石墨能量低
2、知道了某过程有自发性之后，则
A、可判断出过程的方向 B、可确定过程是否一定会发生
C、可预测过程发生完成的快慢 D、可判断过程的热效应
3、碳铵[（NH4）2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气，对其下列说法中正确的是
A、碳铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大
B、碳铵分解是因为外界给予了能量
C、碳铵分解是吸热反应，根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
4、下列反应中，在高温下不能自发进行的是
A、（NH4 ）2CO3（s）＝NH4HCO3（s） NH3（g）
B、2N2O5（g）＝4NO2（g）＋O2（g）
C、MgCO3（s）＝MgO（s）＋CO2（s）
D、CO（g）＝C（s）＋1/2O2（g）
5、可用于判断化学反应的自发与否的是 （ ）
A、仅用焓变 B、仅用熵变
C、仅用焓变和熵变的和 D、用DH－TDS
6、在298K时，氯化钠在水中的溶解度为26g。如将1mol氯化钠溶解在1L水中，此溶解过程中体系的DH－TDS和熵的变化情况是： （ ）
A、DH－TDS＞0，DS＜0 B、DH－TDS＜0 ，DS ＞0
C、DH－TDS ＞0，DS＞0 D、DH－TDS＜0 ，DS＜0
7、已知反应2CO（g）＝2C（s）＋O2（g）的DH为正值，DS为负值。设DH和DS不随温度而变，下列说法正确的是 （ ）
A、低温下能自发进行
B、高温下能自发进行
C、低温下不能自发进行，高温下能自发进行
D、任何温度下都不能自发进行
8、考察下述自然界的一些自然变化，可发现它们有一些共同的特点。下列说法不正确的是：
A、都有一定的方向性，按某一量标度由高到低自发进行
B、都可以用来做功，自发过程一旦发生后体系做功的本领就会降低
C、有一定的进行限度，自发过程总是单向地趋向于非平衡状态
D、用一定的数据差来判断自发变化能否发生
9、下列说法错误的是 （ ）
A、NH4NO3溶于水吸热，说明其溶于水不是自发过程
B、同一种物质气态时熵值最大，液态时次之，而固态时熵值最小
C、借助于外力能自发进行的过程，其体系的能量趋向于从高能状态转变为低能状态
D、由能量判据和熵判据组合而成的复合判据，更适合于所有的过程
10、已知2CO（g） ＝ 2C （s） O2（g）是吸热反应，也是熵减反应。有人曾提出可通过热分解法消除CO对空气的污染，你认为这一建议可行吗？
11、对于反应C2H5OH（g）＝C2H4（g）＋H2O（g），DH＝45.78kJ/mol，DS＝126.19J/mol?K。请通过计算判断在298.15K时，此反应能否进行？
12、高温时空气中的N2和O2会反应生成NO而污染大气：N2（g）＋O2（g）＝2NO（g）。试通过计算说明在1200℃的条件下，此反应能否正向自发进行？估算自发进行的最低温度是多少？（已知：DH＝180.50kJ/mol，DS＝247.7J/mol?K）
【试题答案】
1、C 2、A 3、AC 4、D 5、D
6、B 7、D 8、C 9、A
10、不行，因为在任何情况下DH－TDS都大于0。
11、DH－TDS＝8156J/mol＞0，所以298.15K时，乙醇不能自发脱水生成乙烯
12、DH－TDS＝－184.32kJ/mol＜0，所以该反应在1200℃的条件下能自发进行。
根据 自发进行的最低温度为：728.7K。