巧用吉布斯自由能化解判断化学反应的方向的疑难问题.docVIP

巧用吉布斯自由能化解判断化学反应的方向的疑难问题 　　摘 要： 高中化学人教版选修四《化学反应原理》，无论利用焓变（ΔH）还是熵变（ΔS）作为判断化学反应方向的依据都具有一定的可行性，但相对比较片面，二者都不能独立地作为化学反应自发进行的判据，但是充分地利用吉布斯自由能判断化学反应进行的方向就比较准确，并且能很清晰地知道反应在什么条件下才能自发进行。 　　关键词： 吉布斯自由能 化学反应方向 疑难问题 　　一、从实践提出问题 　　化学反应体系趋于高能态向低能态转化。对于放热反应来说，是从高能向低能转变，故是一种自发进行的趋势。所以一般放热反应具有自发性，即ΔH0非自发倾向大。 　　虽然几乎所有的焓变小于零的放热反应都是自发的，但是有不少的焓变大于零的吸热反应也属于自发，例如：2N■O■（g）=4NO■（g）+O■（g），△H=+56.7kJ/mol；该反应的焓变虽然大于零，但能自发进行；还有一些焓变大于零在室温条件下不能自发进行，可在较高温度下则能自发进行，例如：CaCO■（s）=CaO（s）+CO■（g），ΔH（298K）=+178.2kJ/mol，ΔH（1200K）=+176.5kJ/mol；该反应温度在298K条件下ΔH大于零不能自发进行，却在较高温度1200K条件下ΔH同样大于零能自发进行。由此可见，焓变只是影响反应自发性因素之一，但不是唯一的影响因素。 　　化学反应体系趋于“有序”向“无序”的转化，熵变是表征混乱度的物理量，混乱度增大的反应概率大，有自发进行的倾向。针对高中阶段判据熵变可总结为：①同物质的量的同物质而言（气态液态固态）；②物质的量越多，分子数越多，混乱度越大，熵值越大；③固体溶解过程、液体、气体的扩散过程熵变均为正值即S0。即熵增加的反应，也就是△S0（或者反应前后气体分子数增加）的反应是自发的；熵减小的反应，也就是△S0的反应自发倾向大，ΔS0反应一定不能自发，△G=0反应处于平衡状态。 　　二、解决问题策略探究 　　吉布斯自由能判据：ΔG=ΔH-TΔS，要确定ΔG是大于零、小于零还是等于零，需确定反应的焓变和熵变，必要时还需知道温度。 　　1.当ΔH0（自发倾向大）；T无论高温还是低温，ΔH-TΔS0，即△G一定小于零则化学反应一定能自发进行。 　　2.当ΔH0（非自发倾向大）；ΔS0；则化学反应一定能非自发。 　　3.当ΔH0，反应不能自发进行。 　　4.当ΔH0（非自发倾向大）；ΔS0（自发倾向大），△G的正负也由温度T来决定。若T很小（低温），T△S的绝对值小于△H绝对值，则△G0，该反应不能自发进行；反过来若T很大（高温），T△S的绝对值大于△H绝对值，则△G0，反应能自发进行。接下来通过充分利用上述综合判断策略解决实际经典疑难问题。 　　三、策略解决问题 　　典例鉴赏1：已知反应CaCO■（s）=CaO（s）+CO■（g）常温（T=298k）下，ΔH=+178.2kJ/mol，根据上述熵变的判据，可知ΔS0；ΔS=+169.6J?mol■?K■请问反应能否在常温下自发进行？若不能，那在什么条件下能自发进行？ 　　解析：由题给信息可知，△H和ΔS都是大于零的，根据ΔG=ΔH-TΔS要使反应自发进行，则ΔH-TΔSΔH，所以T△H/ΔS代入数据计算可得T1051k（即778℃），也就是说，这个反应要自发进行体系的温度至少要达到778℃； 　　典例鉴赏2：已知NH■（g）+HCl（g）=NH■Cl（s）的ΔH0判断该反应在什么条件下自发进行？ 　　解析：由题给信息可知，ΔSΔH，所以T△H/ΔS，即反应在较低温度（低于△H/ΔS）下就可以自发进行，在高于△H/ΔS这个温度下就不能自发进行。 　　综合上述，一个化学反应能否自发进行，既与反应的焓变有关，又与反应熵变有关，一般来说，体系能量减小和混乱度增加都能促使反应自发进行，焓变和熵变共同制约化学反应进行方向，但焓变和熵变不是唯一因素，我们不能单纯根据焓变或熵变判断某个反应是否自发进行，在等温、等压条件下要准确地判断一个化学反应进行的方向，要通过综合判据ΔG=ΔH-TΔS判断，利用总判据判断一个化学反应进行的方向，还能培养学生良好的思维品质和科学素养，同时能使学生逐渐体会到化学反应原理中的方向，速率与限度之间的辩证与统一关系。 　　参考文献： 　　[1]傅献彩，沈文彼，姚天杨，编.《物理化学》（第四版）.高等教育出版社，1990. 　　[2]万洪文，主编.物理化学.华中师范大学出版社，（1990. 　　[3]许英慧.反应进行的方向教学案例和设计[J].化学教学，2008（10）：8. 　　[4]吴晓妮.判断化学反应方向的依据教学设计中学化学教学参考，2010年11期.1002-2201（201