化学反应方向课堂教学过程实录文档格式.docx
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例如:
CaCl2+Na2CO3=CaCO3+2NaCl、Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu以上两个反应的正向在常温常压下都能自动发生,而逆向反应在相同条件下却不能自动进行。
也就说化学反应存在方向性。
(教师板书本节课的课题——化学反应的方向)
再看2H2和O2的反应,在常温常压下我们看不到现象,但是这个反应的正向具有发生反应的可能性,因为如果等上千年万年我们就能看到微量的水生成。
而其逆向,水在常温常压下却不能自动分解成氢气和氧气,除非在电能的帮助下反应才能发生。
这些例子告诉我们,化学反应具有方向性,在一定温度压强下,某一个方向的反应是自动进行的,或具有自动发生的可能性,而在相同的条件下,另一个方向的反应不能自动进行,必须借助光、电这样的外部力量才能发生。
人们就把在一定温度、压强下,不借助(光、电能)外部力量既能进行,或具有发生的可能性的反应称为自发反应。
反之称为非自发反应。
同学们,你们认为科学家希望自己设计出的反应是自发的还是非自发的呢?
当然希望是自发反应。
在一定温度和压强下,化学反应向着怎样的方向自发进行呢?
这个问题的解决有助于帮助我们找到TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)不能自发进行的原因。
2.影响化学反应的方向的因素
2.1焓变对化学反应的方向的影响
自然界中有很多现象都具有方向性,例如:
水总是自发的从高处向低处流,热向着温度降低的方向传导……,你认为在一定温度和压强下,化学反应向着怎样的方向自发进行呢?
可能是向着放热的方向自发进行,例如:
燃烧、中和这些反应都是自发反应。
通过科学家的大量实验证明,放热反应在常温常压下是自发的。
也就是说在一定温度和压强下,化学反应趋向于向着焓减小的方向自发进行。
燃烧反应:
CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H(298K)=-890KJ/mol
中和反应:
H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)H(298K)=-57.3KJ/mol
其它反应:
4Fe(OH)2(s)+O2(g)+2H2O(l)=4Fe(OH)3(s)
△H(298K)=-444.3KJ/mol
NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)H(298K)=-176.9KJ/mol
在一定温度和压强下,化学反应一定不能向着吸热的方向自发进行吗?
学生回忆、寻找反例证:
2NH4Cl(s)与Ba(OH)2·
8H2O(s)的反应是吸热的,但是常温自发,说明化学反应有可能向着吸热的方向自发进行。
教师补充证据:
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)△H=37.3kJ/mol
现场演示该实验,证明此反应的确是吸热反应,但常温自发。
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H=178.2kJ/mol
吸热反应常温不自发,高温下能够自发进行
C(S,石墨)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)△H=126.1kJ/mol
由此说明焓变是影响反应方向的因素但不是唯一因素,还有什么因素在影响反应的方向呢?
2.2熵变对化学反应的方向的影响
你能发现这些看似不相干的自发事件之间的内在联系吗?
①
固体溶解:
食盐、氢氧化钠、蔗糖自动溶于水,相反的过程却不可能出现。
②墨水滴入水中自动扩散,二则却不能自动分离。
③气体扩散:
二氧化氮与空气自动混合
④一副崭新的扑克牌被洗过后会怎样?
⑤如果没有法律的制约,世界会怎样?
⑥下课铃一响教室里会怎样?
这些过程都是从有序向无序进行的,趋向于更乱。
教师以固体溶解、气体扩散为例,引到学生分析微观粒子的运动由相对有序变为无序的过程。
德国物理学家—克劳修斯定义了一个称为“熵(S)”的物理量,用来衡量一个体系的混乱度。
熵值越大,体系的混乱度越大。
通过实验和计算,科学家们能够获得各种物质在一定条件下的熵值S(Jmol-1K-1):
如:
标准状况下1mol下列物质的熵S(Jmol-1K-1)
CH4
O2
H2
H2O(l)
HNO3(l)
Br2(l)
石墨
金刚石
Fe
NaCl
186.15
205.03
130
69.9
156
152
5.7
2.4
27.3
72.1
请分析哪类物质的熵较高,哪类物质的熵较低?
并解释。
气体物质的熵较大,因为分子间间距大,作用力小,分子在一定体积内做自由运动。
而固体中微粒之间距离小,相互作用力强,它们排列是有序的。
请推测同一种物质固、液、气三态,熵值的大小。
同一种物质固、液、气三态,熵值逐渐变大。
提供数据加以证明
你能找到吸热反应自发进行的原因了吗?
这些吸热反应的熵值都增大了,这是它们自发进行的原因
NH4HCO3(s)+CH3COOH(aq)=CH3COONH4(aq)+CO2(g)+H2O(l)
CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)
2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+CO2(g)+H2O(g)
C(s,石墨)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)
什么特征说明反应的熵增大了
反应后气体的物质的量比反应前增大了。
教师表示肯定,并进一步举例说明,如果一个反应没有气体参与或生成,则该反应的熵变不会很显著。
C(s)+O2(g)=CO2(g)
△S=2.2Jmol-1K-1
Hg(l)+S(s)=HgS(s)
△S=-31.48Jmol-1K-1
大量事实证明化学反应趋向于向着熵增的方向自发进行,但是我们还需要思考,化学反应一定不能向着熵减的方向自发进行吗?
2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s)是一个熵减的反应,但是一旦引发,该反应就能自动进行,这是为什么?
这个反应能放出大量热。
也就说判断一个反应能否自发,只看焓变或只看熵变都是不可行的,需要将二者结合起来判断。
熵变与焓变之间有着怎样的联系呢?
2.3熵变和焓变对化学反应的方向的共同影响
历史上有一位美国化学家——吉布斯,他发现在一定温度、压强下:
△H-T△S<
0时反应自发,△H-T△S〉0时反应非自发,同学们认为△H-T△S=0时是一种什么情形?
反应可能是可逆的,而且已经达到了化学平衡态。
教师表示肯定,并进一步强调该判据只适用于恒温恒压体系,恒温恒容体系对应另一种判据。
3.化学反应的方向判据的功能与价值
3.1方向判据的普适性和概括性
请用原有的判据判断下列反应自发吗?
H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l)
△H=-57.3kJ·
mol-1
△S=80.7J·
mol-1·
K-1
自发,因为反应生成了水这种弱电解质,降低了反应物离子的浓度。
请再用复合判据判断反应自发吗?
该反应是放热的、熵增的反应,依据判据任何温度自发。
复分解反应向着生成气体、沉淀或水的方向自发进行。
氧化还原反应向着由强制弱的方向自发进行。
离子反应向着降低离子浓度的方向自发进行,而事实上他们都是向着△H-T△S<
0的方向自发进行的。
可见该判据是更为概括的、更具有普适性的方向判据。
3.2科学研究的第一步不是实验而是理论判断
请分析TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)△H=161.9KJ·
mol-1△S=-38.4J·
K-1
该反应在任何温度下都不能自发进行的原因。
这是一个吸热的、熵减的反应,由判据可知该反应在任何温度下都不自发。
请思考科学家设计出一个反应后,紧接着应该干什么?
是实验吗?
原来以为是实验,现在觉得应该做理论计算,用判据看看这个反应能否自发。
非常正确,只有在理论上判断是能够自发的反应才有进一步实验的必要,因此该判据的诞生避免了盲目实验带来的时间、人力、物力的浪费和徒劳无益。
3.3科学家利用方向判据设计和控制反应
NH3(g)+HCl(g)=NH4Cl(s)△H=-176.9KJ·
mol-1△S=-284.3J·
K-1该反应的焓变与熵变对反应方向的影响是矛盾的,此时反应能否自发由什么因素决定?
反应能否自发取决于温度。
反应在什么温度下自发?
在低温下自发。
也就是说如果要制备氯化铵我们需要选择低温,否者逆向反应自发,我们将无法获得产品。
定量计算CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)△H=178.2kJ·
△S=169.6J·
K-1该反应在什么温度下自发?
根据判据计算知T〉1051K时反应自发
可见方向判据不但能够帮助科学家定性判断某一反应能否自发,还能定量判断反应在什么条件下自发,设计和控制反应向着需要的方向自发进行。
工业制钛的难题最终是怎样解决的呢?
TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)是一个吸热的熵减的反应,在任何温度下都不能自发进行。
也就是说控制温度这一变量已经无能为力,你认为还能通过控制其他什么因素来控制反应的方向呢?
从影响化学反应的方向的因素来看,还有焓变和熵变两种因素,可能影响反应的方向。
科学家们向二氧化钛与氯气的反应体系中加入石墨,由于石墨与氧气的反应是一个放热的、熵增的反应,两个反应偶联得到新的化学反应TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)△H=161.9KJmol-1
△S=-38.4Jmol-1K-1
2C(石墨)+O2(g)=2CO(g)
△H=-110.5KJmol-1
△S=89.7Jmol-1K-1
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(石墨)=TiCl4(l)+2CO(g)△H=-59.2KJmol-1
△S=141.0Jmol-1K-1这是一个放热的、熵增的反应,于是得到一个在任何温度下都自发的反应。
教师略微停顿后说:
但是在工业生产上采用了1100K的高温,这是问什么呢?
有学生说“可能是速率问题,升高温度加快反应速率”。
研究一个化学反应不仅仅要考虑方向问题,还要考虑速率、反应的限度等问题,这是科学家研究反应的三个角度,也是这一章同学们要学习的三个主题。
4.熵在其它领域中的运用
教师向学生简单介绍熵在其它领域中的运用,如:
生命学家认为衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加,也就是说随着生命的衰老,生命系统的混乱度增大,当熵值达极大值时即死亡,这是一个不可抗拒的自然规律。
信息学家认为,熵是量度我们对一个系统的“不知程度”的量。
在环境学家看来熵增就是污染……
由此可见熵及其理论促进的不仅仅是化学、物理学科的发展,而是了整个科学界的发展。
化学反应方向教学课件(点击图片下载)
在支持4号中,我们给出了鲁科版教材《物质结构与性质》模块的电离能、《有机物化学基础》模块的反
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电离能——《物质结构与性质》模块
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