教学设计

班级 　高二 科目 化学　 上课时间 　 执教者 高二备课组 课题 第四节 化学反应进行的方向 教学

目标 知识与技能：

1. 知道△H＜0有利于化学反应的自发进行，但△H＜0不是判断反应方向的唯一标志。 2. 知道△S＞0有利于化学反应的自发进行，但不是判断反应方向的唯一标志。

3. 初步形成对化学反应自发过程的基本认识，知道化学反应是否自发同时取决于△H和△S两个因素的影响。 过程与方法：

1. 通过学生已有知识及日常生活中的实例，使学生构建化学反应方向的判据；学会运用比较、归纳、概括等方法对信息进行加工。

2.让学生体会科学探究方法中的重要手段--"证伪"和"证明"，从而进一步认识科学本质特征。

情感态度与价值观：

通过本节内容的学习，使学生体会事物的发展、变化常常受多种因素的制约，要学会客观地、全面地分析问题。 教学

重难点 焓减和熵增与化学反应方向的关系 教学过程 一　自发过程和自发反应

1.根据是否有外力作用，过程可分为自发过程和非自发过程。自发过程是在一定条件下，不借助外力而自发进行的过程。回答下列问题：

(1)下列现象的发生，你认为是自发过程的是________(填字母)。

A.水由高处往低处流 B.气温升高冰雪融化

C.室温下，水自动结成冰 D.生锈的铁变光亮

答案　AB

(2)自发过程具有的特点

①能量角度

体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或者释放热量)。

②混乱度角度

体系趋向于从有序状态转变为无序状态。

2.有下列化学反应：①白磷自燃、②氯化氢分解、③煤燃烧、④钠与水反应、⑤酸碱中和反应，其中属于能自发进行的化学反应(简称自发反应)的是①④⑤，属于放热反应的是①③④⑤。

归纳总结

关于自发反应的理解

二　化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系

1.化学反应进行的方向与焓变的关系

(1)分析下列反应进行的方向与ΔH之间的关系：

①NaOH(aq)＋HCl(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)，酸碱中和反应是放热反应，ΔH<0，常温下能自发进行。

②2Na(s)＋2H2O(l)===2NaOH(aq)＋H2(g)，该反应是放热反应，ΔH<0，常温下能自发进行。

③NH4HCO3(s)＋CH3COOH(aq)===CO2(g)＋CH3COONH4(aq)＋H2O(l)　ΔH>0，该反应在常温下能自发进行。

④CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH>0，该反应在常温下不能自发进行，但在较高温度下能自发进行。

(2)自发反应与焓变的关系

多数自发进行的化学反应是放热反应，但也有很多吸热反应能自发进行，因此，反应焓变是与反应进行的方向有关的因素之一，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。

2.化学反应进行的方向与熵变的关系

(1)熵的概念

自发过程的体系趋向于由有序转变为无序，体系的混乱度增大。体系的混乱度常用熵来描述，熵的概念是表示体系的混乱或无序程度的物理量，其符号为S。熵值越大，体系的混乱度越大。

(2)影响熵大小的因素

①同一条件下，不同的物质熵值不同。

②同一物质的熵与其聚集状态及外界条件有关，如对同一种物质不同状态时熵值大小为S(g)>S(l)>S(s)。

③物质的量越大，分子数越多，熵值越大。

(3)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，即熵变(符号ΔS)大于零，这个原理叫做熵增原理。在用熵变来判断过程的方向时，就称为熵判据。

①当ΔS>0时，反应为熵增反应，在一定条件下能自发进行。

②当ΔS<0时，反应为熵减反应，在一定条件下不能自发进行。

(4)反应熵变是与反应进行的方向有关的因素之一，但不是决定反应能否自发进行的唯一因素。如：2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)　ΔS＝－39.35 J·mol－1·K－1，上述反应为熵减少的反应，但在一定条件下，该反应也能自发进行。说明"熵判据"也具有一定的局限性。

归纳总结

化学反应进行的方向与焓变、熵变的关系

(1)从焓变(能量)角度：ΔH<0，有利于反应自发进行。

(2)从熵变角度：ΔS>0，有利于反应自发进行。

(3)在实际的化学反应中，若ΔH与ΔS符号相同时，对化学反应的方向的影响作用出现矛盾，因此，在分析一个具体化学反应自发进行的方向时，不能孤立地使用焓判据或熵判据来分析，否则，可能会得出错误的结论。

1.下列自发反应可用焓判据来解释的是(　　)

A.2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)

ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1

B.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)

ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1

C.2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)

ΔH＝－571.6 kJ·mol－1

D.CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)

ΔH＝＋178.2 kJ·mol－1

答案　C

解析　从焓变的角度分析，化学反应由高能状态向低能状态转化，使体系能量降低的趋势，表现为放热反应较易进行。

2.碳铵(NH4HCO3)在室温下就能自发地分解产生氨气，下列有关说法中正确的是(　　)

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，根据焓判据，不能自发分解

D.碳酸盐都不稳定，都能自发分解

答案　A

解析　本题考查化学反应进行方向的判据，放热反应常常是容易进行的过程，吸热反应有些也是自发反应；自发反应的熵不一定增大，可能减小，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。故选A。

三　化学反应进行的方向与自由能变化的关系

1.用焓变和熵变的复合判据判断反应的方向

(1)由焓判据知放热反应是易进行的；由熵判据知熵值增加是自发的。很多情况下用不同的判据判定同一个反应，可能会出现相反的判断结果。

(2)体系的自由能变化(符号为ΔG，单位为kJ·mol－1)综合考虑了焓变和熵变对体系的影响，可用于化学反应自发进行的方向的判断，ΔG＝ΔH－TΔS。

(3)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，直到达平衡状态。

ΔH－TΔS<0　反应能自发进行

ΔH－TΔS＝0　反应达到平衡状态

ΔH－TΔS>0　反应不能自发进行

2.已知反应：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)在298 K、101 kPa的条件下，其ΔH＝－113.0 kJ·mol－1，

ΔS＝－145.3 J·mol－1·K－1。

该反应______(填"能"或"不能")用于消除汽车尾气中的NO，理由为____________。

答案　能　该反应的ΔH－TΔS＝－69.7 kJ·mol－1<0，说明该反应在理论上是可行的，所以能用于消除汽车尾气中的NO

解析　ΔG＝ΔH－TΔS＝－113.0 kJ·mol－1－298 K×(－145.3×10－3 kJ·mol－1·K－1)＝－69.7 kJ·mol－1<0，故理论上该反应能自发进行。

归纳总结

　化学反应进行的方向与自由能变化的关系

1.复合判据判断反应方向的有关规律

(1)当ΔH<0，ΔS>0，则ΔG<0，反应一定能自发进行。

(2)当ΔH>0，ΔS<0，则ΔG>0，反应一定不能自发进行。

(3)当ΔH>0，ΔS>0或ΔH<0，ΔS<0时，反应能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。

2.反应发生的条件有多种，ΔG＝ΔH－TΔS这个判据只能用于温度、压强一定条件下的反应，不能用于其他条件(如温度、体积一定)下的反应。

3.反应的自发性只能判断方向性，反应能否实现，还要看具体的反应条件。

3.已知反应：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。设ΔH和ΔS不随温度而变化，下列说法正确的是(　　)

A.低温下是自发反应

B.高温下是自发反应

C.低温下是非自发反应，高温下是自发反应

D.任何温度下都是非自发反应

答案　D

解析　因为碳的不完全燃烧是放热反应，故该反应是吸热反应，且是熵减反应，在任何温度下都是非自发反应。

4.回答下列问题：

(1)用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解CO2，发生反应：2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g)，该反应的ΔH________(填">"、"<"或"＝")0，ΔS________(填">"、"<"或"＝")0，在低温下，该反应________(填"能"或"不能")自发进行。

(2)超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO2和N2，化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2。反应在常温下能够自发进行，则反应的ΔH________(填">"、"<"或"＝")0。

(3)已知在100 kPa、298 K时石灰石分解反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)的ΔH>0，ΔS>0，则：

①该反应常温下________(填"能"或"不能")自发进行。

②据本题反应数据分析，温度________(填"能"或"不能")成为反应方向的决定因素。

(4)已知CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)　ΔH＝＋218 kJ·mol－1，该反应能够自发进行的反应条件是________。

(5)某吸热反应能自发进行，则该反应的ΔS________(填">"或"<")0。

答案　(1)>　>　不能　(2)<　(3)①不能　②能　(4)高温　(5)>

解析　(1)该反应为吸热反应，化学反应后气体的化学计量数之和增加，所以ΔH<0，ΔS>0，故ΔG＝ΔH－TΔS<0，反应不能自发进行。

(2)因为ΔS<0，且ΔG＝ΔH－TΔS<0，故ΔH<0。

(3)①常温下石灰石不分解。②该反应的ΔH>0，ΔS>0，属于熵增加的吸热反应，故在高温下该反应能够自发进行。

(4)自发反应的条件是ΔH－TΔS<0，即ΔH0，故T>，即T值较大，该反应应在高温下进行。

(5)吸热反应能自发进行，即ΔH>0，ΔH－TΔS<0，又知T>0，故ΔS>0。

1.下列关于焓变与反应方向的叙述中正确的是(　　)

A.化学反应的焓变与其反应的方向无关

B.化学反应的焓变直接决定了反应的方向

C.反应焓变为正值时不利于反应自发进行

D.焓变为负值的反应都能自发进行

答案　C

解析　可逆反应的两个反应其焓变的数值相等，但是符号(变化趋势)相反，故A项错误；焓变对反应方向有直接影响，但不能决定反应进行的方向，B项错误；焓变为负值的反应多数能自发进行，但有的也不是自发反应，D项错误；焓变为正值，吸收热量，体系能量升高，不利于反应自发进行，C项正确。

2.下列说法完全正确的是(　　)

A.自发进行的反应均是放热反应

B.ΔS为正值的反应均能自发进行

C.物质的量增加的反应，ΔS为正值

D.CaCO3(s)受热分解为CaO(s)和CO2(g)：ΔS>0

答案　D

解析　有些吸热反应也可以自发进行，如(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)，故A错；熵变与反应的自发性有关，但不能独立地作为反应是否自发的判据，故B错；物质的量增加的反应，其混乱度不一定增加，即ΔS不一定为正值，如2H2S(g)＋O2(g)===2H2O(l)＋2S(s)，故C错；CaCO3(s)的分解产生了气体，为熵增加反应，故D正确。

3.已知在等温等压条件下，化学反应方向的判据为

ΔH－TΔS<0　反应能自发进行

ΔH－TΔS＝0　反应达到平衡状态

ΔH－TΔS>0　反应不能自发进行

设反应A===D＋E　ΔH－TΔS＝(－4 500＋11T) J·mol－1，要防止反应发生，温度必须(　　)

A.高于409 K

B.低于136 K

C.高于136 K而低于409 K

D.低于409 K

答案　A

解析　要防止反应发生需满足ΔH－TΔS>0的条件，解不等式得T>409 K，故A正确。

4.在25 ℃、1.01×105 Pa下，反应2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1能自发进行的合理解释是(　　)

A.该反应是分解反应

B.该反应的熵增效应大于焓变效应

C.该反应是熵减反应

D.该反应是放热反应

答案　B

解析　该反应是吸热反应，不能只用焓判据来判断反应进行的方向，该反应过程中熵增大，是熵增反应。该反应能够自发进行，说明该反应的熵增效应大于焓变效应。

5.回答下列问题：

(1)汽车燃油不完全燃烧时产生CO，有人设想按下列反应除去CO：2CO(g)===2C(s)＋O2(g)。已知该反应的ΔH>0，简述该设想能否实现的依据：___________________________

________________________________________________________________________。

(2)下列反应中，在高温下不能自发进行的是________(填字母)。

a.CO(g)===C(s)＋O2(g)

b.2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)

c.(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g)

d.MgCO3(s)===MgO(s)＋CO2(g)

(3)运用化学反应原理研究合成氨反应有重要意义，请完成下列探究。

生产氢气：将水蒸气通过红热的炭即产生水煤气。C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g)　ΔH＝＋131.3 kJ·mol－1，ΔS＝＋133.7 J·mol－1·K－1，该反应在低温下________(填"能"或"不能")自发进行。

答案　(1)该反应是ΔH>0、ΔS<0的反应，任何温度下均不能自发进行　(2)a　(3)不能

解析　(1)该反应ΔH>0、ΔS<0，根据ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG>0，故不能实现该反应。

(2)a、b、c、d的ΔH>0，b、c、d反应的ΔS>0，ΔH－TΔS<0时，反应才能自发进行。a项ΔS<0，ΔH－TΔS>0，所以在高温时该反应不能自发进行。

(3)根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0为自发反应知，现ΔH＝＋131.3 kJ·mol－1，ΔS＝＋133.7 J·mol－1·K－1＝＋0.133 7 kJ·mol－1·K－1，解得在T＞≈982.0 K时该反应能自发进行，由此可知该反应在低温下不能自发进行。