化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢 化學(xué)反應(yīng)的限度 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向 化學(xué)反應(yīng)速率 化學(xué)平衡 自然界中水總是從高處往低處流 物體總是由高處落向低處 室溫下冰塊自動融化 墨水滴入水中 氣體擴(kuò)散 固體的溶解 在一定條件下 不用借助于外力就可以自動進(jìn)行的過程 高山流水 自由落體 酸堿中和 一 自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng) 自發(fā)過程 含義 特點 體系的能量 體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài) 能量趨于最低 這時體系會對外做功或者釋放熱量 特點 氣體擴(kuò)散 固體的溶解 體系的混亂度 體系從有序自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的傾向 混亂度增加 方向性 自發(fā)過程的逆過程不能自發(fā)進(jìn)行 在給定的一組條件下 可以自發(fā)地進(jìn)行到顯著程度的反應(yīng) 注意 一定條件指 一定的溫度和壓強(qiáng) 自發(fā)反應(yīng)在恰當(dāng)條件下才能實現(xiàn) 自發(fā)反應(yīng) 含義 二 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的判據(jù) 觀察下列幾個自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng) 想一想 它們有何特點 鈉與水反應(yīng) 2Na s 2H2O l 2NaOH aq H2 g H 368kJ mol 鐵在潮濕的空氣中生銹 3Fe s 3 2O2 g Fe2O3 s H 824kJ mol 氫氣和氧氣反應(yīng) 2H2 g O2 g 2H2O l H 571 6kJ mol 氫氧化亞鐵被氧化為氫氧化鐵 NH3 g HCl g NH4Cl s H 0 4Fe OH 2 s O2 g 2H2O L 4Fe OH 3 s H 444 3kJ mol Zn s CuSO4 aq Cu s ZnSO4 aq H 0 放熱反應(yīng) 反應(yīng)后使體系的能量降低 H 0 有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行 結(jié)論 早在一個世紀(jì)之前 在無數(shù)化學(xué)家的辛勤努力下 發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)放熱反應(yīng)都能自發(fā)地進(jìn)行 因此提出用反應(yīng)的焓變 H 作為判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的依據(jù) 這樣就得出 若 H 0 反應(yīng)過程中體系能量降低 這樣的反應(yīng)有自發(fā)進(jìn)行的傾向 反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 若 H 0 反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 焓減 焓判據(jù) 能量判據(jù) 是不是所有自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)都是放熱的 2NH4Cl s Ba OH 2 8H2O s BaCl2 s 2NH3 g 10H2O l 自發(fā)反應(yīng)一定要 H O 2N2O5 g 4NO2 g O2 g H 56 7kJ mol NH4 2CO3 s NH4HCO3 s NH3 g H 74 9kJ mol 2NaHCO3 s Na2CO3 s CO2 g H2O g H 126 1kJ mol NH4HCO3 s CH3COOH aq CH3COONH4 aq CO2 g H2O l H 37 3kJ mol 還有一些吸熱反應(yīng)在室溫條件下不能自發(fā)進(jìn)行 但在較高溫度下則能自發(fā)進(jìn)行 例如在室溫下吸熱反應(yīng) 碳酸鈣的分解反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 但同樣是這個吸熱反應(yīng)在較高溫度 1200K 下則能自發(fā)進(jìn)行 CaCO3 s CaO s CO2 g H 178 2kJ mol 由此可見 焓變只是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的一個因素 但不是唯一因素 只根據(jù)焓變來判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向是不全面的 有不少吸熱反應(yīng) H 0 也能自發(fā)進(jìn)行 在密閉容器中 不同種氣態(tài)物質(zhì)會通過分子的擴(kuò)散自發(fā)形成均勻混合物 焓變 H 的確是一個與反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的因素 但不是決定反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的唯一因素 墨水?dāng)U散 無序 有序 一副嶄新的撲克牌被洗過后 在密閉條件下 體系有從有序自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的傾向 為了解釋這樣一類與能量狀態(tài)的高低無關(guān)的過程的自發(fā)性 提出了在自然界還存在著另一種能夠推動體系變化的因素 熵 是德國物理學(xué)家克勞修斯在1850年創(chuàng)造的一個術(shù)語 德國物理學(xué)家克勞修斯 熵 S 熵 描述體系混亂度的物理量 符號 S 體系的混亂度越大 熵值越大 單位 J mol 1 K 1 J mol K 標(biāo)準(zhǔn)狀況下 1mol不同物質(zhì)的熵S Jmol 1K 1 氣體的物質(zhì)的量越大 體系的混亂度越大 熵值越大 同一條件下 不同物質(zhì)的熵值不同 69 9Jmol 1K 1 47 9Jmol 1K 1 188 7Jmol 1K 1 同一物質(zhì) S g S l S s 冰 三種狀態(tài)下水的熵 水 水蒸氣 熵變 概念 生成物總熵與反應(yīng)物總熵之差 符號 S 表達(dá)式 S S 生成物 S 反應(yīng)物 N2 3H2 2NH3 2C O2 2CO CaCO3 CaO CO2 這些反應(yīng)的熵如何變化 產(chǎn)生氣體的反應(yīng) 氣體物質(zhì)的物質(zhì)的量增大的反應(yīng) S 0 為熵增加的反應(yīng) S 0 S 0 S 0 探究 交流 下列自發(fā)過程中熵變的特點 冰 液態(tài)水 水蒸氣 硝酸銨晶體溶于水 NH4NO3 s NH4 aq NO3 aq 探究 交流 下列自發(fā)進(jìn)行的吸熱反應(yīng)過程中熵變的特點 N2O5分解 2N2O5 g 4NO2 g O2 g H 56 7kJ mol 氯化銨晶體與氫氧化鋇晶體反應(yīng) 2NH4Cl s Ba OH 2 8H2O s 2NH3 g BaCl2 s 10H2O l 碳酸銨的分解 NH4 2CO3 s NH4HCO3 s NH3 g H 74 9kJ mol 碳酸鈣的分解 CaCO3 s CaO s CO2 g 共同點 熵 S 增加 S 0 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn) 在與外界隔離的體系中 大多數(shù)自發(fā)過程將導(dǎo)致體系的熵增大 即 S 0 這個原理叫做熵增原理 熵增原理即 S 0作為判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向的依據(jù)時就稱為熵判據(jù) 二 熵判據(jù) S 這說明 大多數(shù)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)有趨向于使體系的混亂度增大 即熵增大 S 0 的傾向 這樣就得出 若 S 0 這樣的反應(yīng)有自發(fā)進(jìn)行的傾向 反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 若 S 0 反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 10 的液態(tài)水能自動結(jié)冰成為固態(tài) S 0 鋁熱反應(yīng) 2Al s Fe2O3 s 2Fe s 2Al2O3 s S 0 H2在O2中燃燒 2H2 g O2 g 2H2O l S 0 因此用熵判據(jù)來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向也是不全面的 自發(fā)反應(yīng)一定是熵增加的反應(yīng)嗎 由此可見 熵變只是反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的一個因素 但不是唯一因素 自發(fā)反應(yīng)不一定要 S O 有些熵減 S 0 的反應(yīng)在一定條件下也可以自發(fā)進(jìn)行 結(jié)論 很多情況下 簡單地只用其中一個判據(jù)去判斷同一個反應(yīng) 可能會出現(xiàn)相反的判斷結(jié)果 在溫度 壓強(qiáng)一定的條件下 我們要判別化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向應(yīng)兩個判據(jù)兼顧 考慮 H S共同影響的結(jié)果 化學(xué)反應(yīng)的最終判據(jù)到底是什么呢 在一定條件下 一個化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行 既可能與反應(yīng)的焓變 H 有關(guān) 又可能與反應(yīng)的熵變 S 有關(guān) 美國著名的數(shù)學(xué)化學(xué)家 數(shù)學(xué)物理學(xué)家吉布斯1878年提出由焓判據(jù)和熵判據(jù)組合成的復(fù)合判據(jù) 吉布斯自由能 來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向更適合于所有的反應(yīng)過程 反應(yīng)方向 反應(yīng)焓變 能量判據(jù) 反應(yīng)熵變 熵判據(jù) 一定溫度 一定壓強(qiáng) 三 復(fù)合判據(jù) 吉布斯自由能 自發(fā)進(jìn)行 不能自發(fā)進(jìn)行 高溫時 0 自發(fā)進(jìn)行 低溫時 0 自發(fā)進(jìn)行 T為絕對溫度 0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài) 反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 H T S 焓減熵增自發(fā) 過程的自發(fā)性只能用于判斷過程進(jìn)行的方向 不能確定過程是否一定會發(fā)生和過程發(fā)生的速率 在討論過程的方向問題時 指的是沒有外界干擾時體系的性質(zhì) 如果允許外界對體系施加某種作用 就可能出現(xiàn)相反的結(jié)果 例如 金剛石有向石墨轉(zhuǎn)化的傾向 但是能否發(fā)生 什么時候發(fā)生 多快才能完成 就不是能量判據(jù)和熵判據(jù)能解決的問題了 例如 石墨經(jīng)高溫高壓還是可以變?yōu)榻饎偸?A 5 某化學(xué)反應(yīng)其 H 122kJ mol 1 S 231J mol 1 K 1 則此反應(yīng)在下列哪種情況下可自發(fā)進(jìn)行 A 在任何溫度下都能自發(fā)進(jìn)行B 在任何溫度下都不能自發(fā)進(jìn)行C 僅在高溫下自發(fā)進(jìn)行D 僅在低溫下自發(fā)進(jìn)行 6 判斷下列反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行 2KClO3 s 2KCl s 3O2 g H 78 03kJ mol 1 S 494 4J mol 1 K 1 CO g C s 石墨 1 2O2 g H 110 5kJ mol 1 S 89 36J mol 1 K 1