教案提纲 [教学对象] 农科本科一年级 [学 科] 普通化学 [课 型 合班理论讲授 [授课题目] 第四节化学反应的方向 [授课纲目] 第四章热力学基础/第四节化学反应的方向 [授课时数] 2学时 [教学目的] 1了解自发过程及其特征： 2了解熵的意义，以及影响熵变的基本规律： 3准确理解标准熵的意义，熟练掌握化学反应熵变的计算： 4掌握孤立体系的熵增原理即热力学第二定律： 5培养学生从宏观到微观分析问题解决问题的能力。 [教学重点] 1熵的含义： 2影响熵变的基本规律，熟练掌握化学反应熵变的计算： 3掌握孤立体系的熵增原理即热力学第二定律 [教学难点] 1标准熵的含义： 2影响熵变的基本规律，熟练掌握化学反应熵变的计算： [教学方法] 讲授法 1、赵士铎主编，普通化学，面向21世纪课程教材，北京，中国农业出版 [参考书目] 社，1997.7,43~56 2、徐伟亮主编，化学知识体系与学习指南，北京，科学出版社，2001.2， 17-18 3、张永安编，无机化学，北京，北京师范大学出版社，1998.9,74~81 4、刘晓庚主编，基础化学学习指导，北京，气象出版社，1995.5,43~47 5、翟仁通主编，普通化学，北京，中国农业出版社，1996.12,28~41 6.J.D Lee.A New Concise Inorganic Chemistry (Third edition).New York:Van Nostrand Reinhold Company Ltd.1977
教案提纲 [教学对象] 农科本科一年级 [学 科] 普通化学 [课 型] 合班理论讲授 [授课题目] 第四节 化学反应的方向 [授课纲目] 第四章 热力学基础 / 第四节化学反应的方向 [授课时数] 2 学时 [教学目的] 1 了解自发过程及其特征； 2 了解熵的意义，以及影响熵变的基本规律； 3 准确理解标准熵的意义，熟练掌握化学反应熵变的计算； 4 掌握孤立体系的熵增原理即热力学第二定律； 5 培养学生从宏观到微观分析问题解决问题的能力。 [教学重点] 1 熵的含义； 2 影响熵变的基本规律，熟练掌握化学反应熵变的计算； 3 掌握孤立体系的熵增原理即热力学第二定律 [教学难点] 1 标准熵的含义； 2 影响熵变的基本规律，熟练掌握化学反应熵变的计算； [教学方法] 讲授法 [参考书目] 1、 赵士铎主编，普通化学，面向 21 世纪课程教材，北京，中国农业出版 社，1997.7,43～56 2、 徐伟亮主编，化学知识体系与学习指南，北京，科学出版社，2001.2， 17～18 3、 张永安编，无机化学，北京，北京师范大学出版社，1998.9，74～81 4、 刘晓庚主编，基础化学学习指导，北京，气象出版社，1995.5，43～47 5、 翟仁通主编，普通化学，北京，中国农业出版社，1996.12，28～41 6、J.D Lee. A New Concise Inorganic Chemistry (Third edition). New York: Van Nostrand Reinhold Company Ltd. 1977
教学过程 批注 一.导入新课(3~5分钟) 通过复习前几节的内容，由化学热力学所解决的问题引出今天所要介绍的内容一一 自发过程和熵。 二讲授新内容(90分钟) 第四节自发过程和熵 4.4.1自发过程 一板书标题 4.4.1.1概念 一一设疑提问 在一定条件下不需要任何外力的作用就能自动进行的过程叫做自发过程。 一一板书 4.4.1.2特点 (1)自发过程只能单方向地自动进行，不可能自发地逆向进行。要使其逆转，必须 一一板书特点 借助外力，即环境对体系作功。 (2)自发过程的单向进行有一定的限度，当过程进行到一定程度后，就会处于平衡 状态。如只能进行到压力相等，温度相等，化学反应进行的最大限度是达到了化学平衡。 (3)自发过程都可以用来作功。许多自发过程是体系能量的降低的过程，放出的能 量可以用来作功，例如山上的水流下来可以推动水轮机作功。 4.4.2熵和熵变 一一板书 4.4.2.1熵和混乱度 实践发现自然界的体系自发变化总是从有序到无序的过程。也就是说自发变化是热力学 概率增大的方向。热力学概率也称混乱度(Q)或无序度。概率是统计学概念，它不具有 加和性，所以不能直接作为一个体系的性质。1877年奥地利物理学家L.Boltzmann提 出，热力学概率的对数值与体系的一个特定性质一一熵(S成正比。 S=k InQ 一一板书 S为熵的符号，2表示热力学概率（混乱度或无序度），k为Boltzmann常数。 早在1854年R.Clausius提出的熵是一个体系的状态函数。熵是体系的宏观性质， 一一板书 它的单位是JK-lmol。L.Boltzmann的功绩是把宏观性质熵与微观统计量联系了起来， 并对其本质做出了解释。同时也指出了它的限制，即只有对大量分子组成的体系，概率 才有意义。若只有几个分子，上述的概念就不能用了。在热力学中，用状态函数“熵” 表示体系的混乱度Ω，体系的混乱度越大，熵值也就越大。体系的状态一定时，就有确 一一板书 定的熵值。与内能、焓一样，其变量△S只决定于体系的始、终态，而与变化的途径无 关。 任何纯物质体系，温度越低，内部微粒运动的速率越慢，自由活动的范围越小，混 一一板书 乱度越小，熵值也就越小。在绝对零度时，完美的晶体物质有整齐的排列次序，质点的 振动也基本上完全停顿了，这时体系的混乱度最小。在O承时，任何纯物质完整晶体熵 值等于零，即S(0K)=0,这就是热力学第三定律。 有了热力学第三定律，我们就可以测量任何纯物质在温度T时熵的绝对值9)。因 为温度为T时某物质的绝对熵就等于将该物质从OK升温到T时的熵变△S,即 △S=9T)-S0K) S0K)=0 T)=AS 一一板书 1ol某纯物质在标准态下的绝对熵叫做该物质的标准摩尔熵（简称标准熵）。表示符号 一一强调标准 为S(T),单位为JmoK。通常使用的是298.15K标准摩尔熵，简写为S。对于 摩尔熵的概念 水合离子，溶液中同时存在正、负离子，规定处于标准状态时水合氢离子矿(q)的标准 熵值为零
教 学 过 程 批 注 一．导入新课（3～5 分钟） 通过复习前几节的内容，由化学热力学所解决的问题引出今天所要介绍的内容―― 自发过程和熵。 二 讲授新内容（90 分钟） 第四节 自发过程和熵 4．4.1 自发过程 4．4．1．1 概念 在一定条件下不需要任何外力的作用就能自动进行的过程叫做自发过程。 4．4．1．2 特点 (1) 自发过程只能单方向地自动进行，不可能自发地逆向进行。要使其逆转，必须 借助外力，即环境对体系作功。 (2) 自发过程的单向进行有一定的限度，当过程进行到一定程度后，就会处于平衡 状态。如只能进行到压力相等，温度相等，化学反应进行的最大限度是达到了化学平衡。 (3) 自发过程都可以用来作功。许多自发过程是体系能量的降低的过程，放出的能 量可以用来作功，例如山上的水流下来可以推动水轮机作功。 4．4．2 熵和熵变 4．4．2．1 熵和混乱度 实践发现自然界的体系自发变化总是从有序到无序的过程。也就是说自发变化是热力学 概率增大的方向。热力学概率也称混乱度(Ω)或无序度。概率是统计学概念，它不具有 加和性，所以不能直接作为一个体系的性质。1877 年奥地利物理学家 L．Bo1tzmann 提 出，热力学概率的对数值与体系的一个特定性质—－熵(S)成正比。 S = k lnΩ S 为熵的符号，Ω 表示热力学概率（混乱度或无序度），k 为 Bo1tzmann 常数。 早在 1854 年 R.C1ausius 提出的熵是一个体系的状态函数。熵是体系的宏观性质， 它的单位是 J∙K-1 ∙mol-1。L．Bo1tzmann 的功绩是把宏观性质熵与微观统计量联系了起来， 并对其本质做出了解释。同时也指出了它的限制，即只有对大量分子组成的体系，概率 才有意义。若只有几个分子，上述的概念就不能用了。在热力学中，用状态函数“熵” 表示体系的混乱度 Ω，体系的混乱度越大，熵值也就越大。体系的状态一定时，就有确 定的熵值。与内能、焓一样，其变量 ΔS 只决定于体系的始、终态，而与变化的途径无 关。 任何纯物质体系，温度越低，内部微粒运动的速率越慢，自由活动的范围越小，混 乱度越小，熵值也就越小。在绝对零度时，完美的晶体物质有整齐的排列次序，质点的 振动也基本上完全停顿了，这时体系的混乱度最小。在 0K 时，任何纯物质完整晶体熵 值等于零，即 S(0K)=0，这就是热力学第三定律。 有了热力学第三定律，我们就可以测量任何纯物质在温度 T 时熵的绝对值 S(T) 。因 为温度为 T 时某物质的绝对熵就等于将该物质从 0K 升温到 T 时的熵变 ΔS，即 ΔS=S(T)－S(0K) ∵ S(0K)=0 ∴ S(T)=ΔS 1mol 某纯物质在标准态下的绝对熵叫做该物质的标准摩尔熵（简称标准熵）。表示符号 为 θSm （T），单位为 J∙mol-1 ∙K-1。通常使用的是 298.15K 标准摩尔熵，简写为 θSm 。对于 水合离子，溶液中同时存在正、负离子，规定处于标准状态时水合氢离子 H + (aq)的标准 熵值为零。 —―板书标题 ――设疑提问 ――板书 ――板书特点 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――强调标准 摩尔熵的概念
教学过程 批注 注意：标准摩尔熵(S8)与标准摩尔生成烙（△H)有着根本的不同。△，H是以 一一强调注意 最稳定单质的标准生成焓为零的相对数值，而除水合离子S熵外，其它物质的S不 是相对值，它们的值可以求得。 4.4.2.2标准摩尔熵的规律 一一板书 由于物质的熵值是物质内部质点的混乱度的量度，因此，一切影响混乱度的因素都 会影响物质的熵值。通过比较物质的标准摩尔熵的数据可以看出物质的标准摩尔熵值大 小的一般规律： (1)同种物质所处的聚集状态不同，熵值的大小次序是：Sm°(g)>Sm°(1)>Sm°(s)。 一一要求同学 (2)聚集状态相同，分子中原子数目或电子数目越多，它的熵值也越大。 掌握熵的规律， (3)结构相似的物质，相对分子质量大的熵值大。 并且举例说明 (4)温度升高时，熵值增大。对气体来说，压力增大时熵值减小对固体和液体来说， 压力改变对它们的熵值影响不大。 (⑤)当聚集状态和温度一定，相对分子量又相近时，分子构型复杂的熵值大。 (6气体物质溶于水时，它的熵值减小：固体或液体物质溶于水或其它溶剂时熵要增 加。 (⑦)共价键合的固体熵值较小，带有金属性的固体熵值较大。 4.4.2.3化学反应的标准摩尔熵变的计算 熵与焓一样是体系的状态函数，且具有广度性质。所以化学反应的熵变只取决于 一一板书 反应体系的始、终状态，而与体系状态变化的途径无关。故反应的标准摩尔熵变[4S日 一一举例 ()]的计算方法与反应的标准摩尔焓变类似。对在反应温度298K和标准状态下进行的任 化学反应 aA+bB一dD+eE的标准摩尔熵变为： △，S9=[dS9(D)+eS日(E)]-[aS9(A)+bS9(B)] 写成通式则为 4S9=∑y,S日（产物刀-∑y,S(反应物1） 一一让同学记 忆反应的熵变 实验事实告诉我们，反应熵变受温度变化的影响很小，至少在高于298K是这样。 受温度的影响 因为在绝大多数情况下，产物熵值的增加基本上与反应物熵值的增加相抵消，所以可近 可忽略（反复强 似地看作反应熵变不随温度变化而变化。 调) 4.4.3熵变与过程进行的方向（热力学第二定律） 自然界的自发过程常常是向体系的混乱度增大的方向进行。那么，是否可以用熵变 来作为反应能否自发进行的判据呢？实践证明：自发过程的结果是使体系的熵值增加。 这就是热力学第二定律，也称为熵增加原理。即 一板书 △S>0 因此，熵变的最大功用是判断一个过程的自发性。那么化学反应过程的熵变是否可 一一用例子强 以作为反应方向的判据呢？ 调热力学第二 其原因是镁的燃烧将很高的热量释放到周围的环境中去，从而增大了有关环境的 定律的应用条 熵。这时即有两个熵变，一是化学反应体系熵变，标为△S,,另一个是环境接受热量 件
教 学 过 程 批 注 注意：标准摩尔熵（ θSm ）与标准摩尔生成焓（Δf θHm ）有着根本的不同。Δf θ Hm 是以 最稳定单质的标准生成焓为零的相对数值，而除水合离子 θSm 熵外，其它物质的 θSm 不 是相对值，它们的值可以求得。 4．4．2．2 标准摩尔熵的规律 由于物质的熵值是物质内部质点的混乱度的量度，因此，一切影响混乱度的因素都 会影响物质的熵值。通过比较物质的标准摩尔熵的数据可以看出物质的标准摩尔熵值大 小的一般规律： (1) 同种物质所处的聚集状态不同，熵值的大小次序是：Sm°(g) >>Sm°(1)>Sm°(s)。 (2) 聚集状态相同，分子中原子数目或电子数目越多，它的熵值也越大。 (3) 结构相似的物质，相对分子质量大的熵值大。 (4) 温度升高时，熵值增大。对气体来说，压力增大时熵值减小对固体和液体来说， 压力改变对它们的熵值影响不大。 (5) 当聚集状态和温度一定，相对分子量又相近时，分子构型复杂的熵值大。 (6)气体物质溶于水时，它的熵值减小；固体或液体物质溶于水或其它溶剂时熵要增 加。 (7) 共价键合的固体熵值较小，带有金属性的固体熵值较大。 4．4．2．3 化学反应的标准摩尔熵变的计算 熵与焓一样是体系的状态函数，且具有广度性质。所以化学反应的熵变只取决于 反应体系的始、终状态，而与体系状态变化的途径无关。故反应的标准摩尔熵变[Δr θSm (T)]的计算方法与反应的标准摩尔焓变类似。对在反应温度 298K 和标准状态下进行的任 一化学反应 aA + bB ══ dD + e E 的标准摩尔熵变为： Δr θSm =[d θSm （D）+e θSm （E）]－[a θSm （A）+b θSm （B）] 写成通式则为 Δr θSm = j j θSm (产物 j)－ i i θSm (反应物 i ) 实验事实告诉我们，反应熵变受温度变化的影响很小，至少在高于 298K 是这样。 因为在绝大多数情况下，产物熵值的增加基本上与反应物熵值的增加相抵消，所以可近 似地看作反应熵变不随温度变化而变化 。 4．4．3 熵变与过程进行的方向（热力学第二定律） 自然界的自发过程常常是向体系的混乱度增大的方向进行。那么，是否可以用熵变 来作为反应能否自发进行的判据呢? 实践证明：自发过程的结果是使体系的熵值增加。 这就是热力学第二定律，也称为熵增加原理。即 S >0 因此，熵变的最大功用是判断一个过程的自发性。那么化学反应过程的熵变是否可 以作为反应方向的判据呢？ 其原因是镁的燃烧将很高的热量释放到周围的环境中去，从而增大了有关环境的 熵。这时即有两个熵变，一是化学反应体系熵变，标为△S 体系，另一个是环境接受热量 ――强调注意 ――板书 ――要求同学 掌握熵的规律， 并且举例说明 ――板书 ――举例 ――让同学记 忆反应的熵变 受温度的影响 可忽略（反复强 调） ――板书 ――用例子强 调 热 力学第二 定律的应用条 件
教学过程 批注 时温度升高的熵变，标为△S环境。 三小结(3~5分钟) 1熵是状态函数，只与起态和终态有关，而与过程无关： 一一板书 2热力学第三定律及熵的估计： 3热力学第二定律的内容及应用： 4化学反应熵变的计算方法。 四布置作业： 一一板书 附：板书设计： 主板： 副板： 2.4自发过程和熵变 2.4.1自发过程 举例说明：如镁 2.4.2熵和熵变 分析并举例说明 条在空气中被 2.4.3熵变与过程进行的方向（热力学第二定律） 例题 氧化，通过计算 结果是△，S日 <0,表示反应 不能自发向右 进行，而事实上 金属镁条在空 气中很容易燃 烧生成白色粉 末MgO
教 学 过 程 批 注 时温度升高的熵变，标为△S 环境。 三 小结（3～5 分钟） 1 熵是状态函数，只与起态和终态有关，而与过程无关； 2 热力学第三定律及熵的估计； 3 热力学第二定律的内容及应用； 4 化学反应熵变的计算方法。 四 布置作业： 附：板书设计： 主板： 副板： 2．4 自发过程和熵变 2．4．1 自发过程 2．4．2 熵和熵变 分析并举例说明 2．4．3 熵变与过程进行的方向（热力学第二定律） 例题 ――板书 ――板书 举例说明：如镁 条在空气中被 氧化，通过计算 结果是△r θSm ﹤0，表示反应 不能自发向右 进行，而事实上 金属镁条在空 气中很容易燃 烧生成白色粉 末 MgO