高中化学第二章 化学反应速率与化学平衡第三节 化学反应的方向教学设计

第三节 化学反应的方向

【教学目标】

1.知道自发过程和化学反应的自发性。

2.通过“有序”和“无序”的对比,能说出熵和熵变的概念。

3.能说出焓变和熵变对化学反应方向的影响,能用焓变和熵变判断化学反应的方向。

【教学重难点】

1.重点：从焓变和熵变角度，认识化学反应的“内因”，了解化学反应进行的方向判断。

2.难点：能用焓变和熵变说明化学反应的方向。

【教学过程】

1.新课导入

[投影]展示汽车排放尾气的图片。

[设问]汽车尾气中的主要污染物是一氧化氮以及燃料不完全燃烧所产生的一氧化碳，它们是现代城市中的大气污染物，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：2NO（g）+ 2CO（g）N2（g）+ 2CO2（g），你能否判断这一方案是否可行？理论依据是什么？

[引入]上述问题是化学反应的方向的问题。反应进行的方向、快慢和限度是化学反应原理的三个重要组成部分。通过前两节的学习和讨论，我们已经初步解决了后两个问题，即反应的快慢和限度问题，这节课我们来讨论反应的方向的问题。

2.新课讲授

[设问]根据生活经验，举例说说我们见过的自发过程（在一定条件下不需要外力作用就能自动进行的过程）。

[板书]一、自发过程与自发反应

[学生活动]学生思考、讨论并作出回答

[投影]生活中的自发过程

[讲解]生活中的自发过程很多，如：水由高处往低处流，高空跳伞，自由落体，电流由电位高的地方向电位低的地方流，铁器暴露于潮湿的空气中会生锈，室温下冰块会融化，……这些都是自发过程，它们的逆过程是非自发的。

[提问]这些生活中的现象有明显的自发性，其中是否蕴藏了一定的科学原理？

[生]能量由高到低。

[过渡]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”变为“无序”的自然现象，提出了互相关联的焓判据和熵判据，为反应方向的判断提供了必要的依据。

[板书]一、反应方向的焓判据。

我们知道的反应中下列反应可以自发进行：

[追问]上述反应是吸热还是放热？

[生]是放热反应。

[板书]焓判据：放热反应过程中体系能量降低,具有自发进行的倾向,因此可用焓变来判断反应进行的方向。

[讲解]多数自发进行的化学反应是放热反应，但也有不少吸热反应能自发进行。如：

2N2O5（g）= 4NO2（g）+ O2（g）   △H = ＋109.8KJ/mol；

NaHCO3（s）+ HCl（aq）= CO2（g）+NaCl（aq）+ H2O（l） △H = ＋31.4KJ/mol；

[小结]反应焓变是与反应能否自发进行有关的一个因素，但不是唯一因素。

[板书]二、反应方向的熵判据。

[学生活动]阅读课本P42相关内容。

[提问]如何理解“熵”的含义？

[板书]混乱度：表示体系的不规则或无序状态。

[讲解]混乱度的增加意味着体系变得更加无序。

[板书]熵：热力学上用来表示混乱度的状态函数。

上述自发过程与能量状态的高低无关，受另一种能够推动体系变化的因素的影响，即体系有从有序自发地转变为无序的倾向。

[板书]熵判据：体系有自发地向混乱度增加（即熵增）方向转变的倾向，因此可用熵变来判断反应进行的方向。。

[讲解]体系的有序性越高，即混乱度越低，熵值就越小。有序变为无序——熵增的过程。

[板书]熵值的大小判断：

（1）气态 > 液态 > 固态

（2）与气态物质的量成正比

[板书]反应熵变△S=生成物总熵-反应物总熵

[学与问]发生离子反应的条件之一是生成气体。试利用上面讲的熵判据加以解释，由此你对于理论的指导作用是否有新的体会。

[讲解]产生气体的反应，气体物质的量增大的反应，△S通常为正值，为熵增加反应，反应自发进行。

[举例说明]再如：

[讲解]这些自发进行的化学反应都是熵增的过程，即△S>0，但是，

有些熵减小的反应在一定条件下也可以自发进行，如：

乙烯聚合为聚乙烯的反应，就是熵减的过程，即△S < 0，再如：

[小结]反应熵变是与反应能否自发进行有关的又一个因素，但也不是唯一因素。

[板书]3.复合判据

[讲述]在一定条件下，一个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。研究表明，在恒温、恒压下，判断化学反应自发性的判据是：

[板书]体系自由能变化（△G）：△G = △H - T△S

[指出] 在恒温恒压下,自由能变化(ΔG)的正负决定着化学反应自发进行的方向。体系自由能变化综合考虑了焓变和熵变对体系的影响。

[板书] △H - T△S < 0  反应能自发进行；

△H - T△S = 0  反应达到平衡状态；

△H - T△S > 0  反应不能自发进行。

[投影]

[举例]对反应CaCO3（s）= CaO（s）+ CO2（g）

△H = + 178.2 KJ·mol-1       △S = +169.6 J·mol-1·K-1

室温下，△G =△H-T△S =178.2KJ·mol-1–298K×169.6×10-3KJ·mol-1·K-1 =128 KJ·mol-1>0

因此，室温下反应不能自发进行；

如要使反应自发进行，则应使△H - T△S < 0，

则T>△H/△S=178.2 KJ·mol-1/0.1696 KJ·mol-1·K-1 = 1051K。

[知识应用]本节课一开始提出处理汽车尾气的反应：

2NO（g） + 2CO（g） N2（g） + 2CO2（g），

已知，298K、101KPa下，该反应△H = - 113.0 KJ·mol-1 ，△S = -143.5 J·mol-1·K-1

则△G =△H-T△S = - 69.68 KJ·mol-1 < 0

因此，室温下反应能自发进行。

[提示]但该反应速率极慢，需要使用催化剂来加速反应。

【课堂小结】

能量判据和熵判据的应用：

1、由能量判据知∶放热过程（△H﹤0）常常是容易自发进行；

2、由熵判据知∶许多熵增加（△S﹥0）的过程是自发的；

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；

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的速率；

5、在讨论过程的方向时，我们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；

6、反应的自发性也受外界条件的影响。

【板书】

2.3 化学反应进行的方向

一、反应方向的焓判据。

二、反应方向的熵判据

熵判据：体系有自发地向混乱度增加（即熵增）方向转变的倾向。

熵值的大小判断：

（1）气态 > 液态 > 固态

（2）与物质的量成正比

三、焓变与熵变对反应方向的共同影响。

△H - T△S < 0  反应能自发进行；

△H - T△S = 0  反应达到平衡状态；

△H - T△S > 0  反应不能自发进行。