甘肃农业大学 教案 章节 第三章化学热力学基础（第三讲) 教学 1.了解自由能及自由能变的意义，掌握反应自发性的判据： 目的 2.熟悉物质的标准摩尔生成自由能，并熟练利用物质的△G0(B)计算化学反应的△，G品 3.利用吉布斯一赫姆霍兹公式熟练计算标准态、任意温度化学反应的的△，G(T): 与要 4.掌握温度对化学反应自发性的影响，会计算各种转化温度。 求 3.3.4化学反应自发性与吉布斯自由能 3.3.4.1吉布斯自由能 3.3.4.2反应方向的判据 教学 3.3.4.3物质的标准摩尔生成吉布斯自由能△G(B) 内容 3.3.4.4吉布斯一赫姆霍兹方程的应用 1、 公式：△，G9(T)=△，H9-T△，S9 2、温度对反应自发性的影响 3、转变（平衡）温度的计算 重点、 重点：自由能判据：吉布斯一赫姆霍兹公式及其应用 难点 难点：理解自由能及自由能变的意义 分析 教学设计 调控对策 1.复习焓判据和熵判据，引入自紱能是判断化学反应自发柜的判据，介绍自由能及 强调△，G9 自由能变瞄意义，引出自由能判据。 的使用条件 2.介绍物质噩△/G(B),引导学生利用盖斯定律推导出计算化学反应 板练 △，G(298K)的公式。 3.介绍吉布斯一赫姆霍兹啬式，举例让学生分别使用△G(B)、△rH(B)、计 例题+板练 算反应的△，G,进而判断反应的自发性，进一步强调△，G(B)所适用的温度条 件。 4.详细分析温度对反应自发性的影响，并通过图表总结。 划表详细分析 5.通过分析使学生理解转化温度就是平衡温度，并掌握转化温度的计算办法。 例题(6种类 6.注意强调△，G8、△，H、△，S9状态函数的特点： 型) 7.本章小结，布置作业。 课后补遗 30
甘肃农业大学 教案 30 章 节 第三章 化学热力学基础（第三讲） 教学 目的 与要 求 1.了解自由能及自由能变的意义，掌握反应自发性的判据； 2.熟悉物质的标准摩尔生成自由能，并熟练利用物质的 G (B) f m △ 计算化学反应的 △r Gm 3.利用吉布斯－赫姆霍兹公式熟练计算标准态、任意温度化学反应的的 △r Gm （T）； 4.掌握温度对化学反应自发性的影响，会计算各种转化温度。 教学 内容 3.3.4 化学反应自发性与吉布斯自由能 3.3.4.1 吉布斯自由能 3.3.4.2 反应方向的判据 3.3.4.3 物质的标准摩尔生成吉布斯自由能 G (B) f m △ 3.3.4.4 吉布斯－赫姆霍兹方程的应用 1、公式： (T) △r Gm ＝ △r Hm －T △r Sm 2、温度对反应自发性的影响 3、转变（平衡）温度的计算 重点、 难点 分析 重点：自由能判据；吉布斯－赫姆霍兹公式及其应用 难点：理解自由能及自由能变的意义 教学设计 调控对策 1.复习焓判据和熵判据，引入自紱能是判断化学反应自发怇的判据，介绍自由能及 自由能变瞄意义，引出自由能判据。 2. 介绍物质盄 G (B) f m △ ， 引 导 学 生利 用 盖 斯定 律 推 导出 计 算 化 学反 应 △r Gm (298K)的公式。 3.介绍吉布斯－赫姆霍兹啬式，举例让学生分别使用 G (B) f m △ 、 H (B) f m △ 、计 算反应的 △r Gm ，进而判断反应的自发性，进一步强调 G (B) f m △ 所适用的温度条 件。 4.详细分析温度对反应自发性的影响，并通过图表总结。 5.通过分析使学生理解转化温度就是平衡温度，并掌握转化温度的计算办法。 6.注意强调 △r Gm 、 △r Hm 、 △r Sm 状态函数的特点； 7.本章小结，布置作业。 强 调 △r Gm 的使用条件 板练 例题+板练 划表详细分析 例题（6 种类 型） 课后补遗
甘肃农业大学 教案 教学过程 批注 一.导入新课(3~5分钟) 复习上节内容，由嫡判断化学反应的自发性既要考虑体系还需要考虑环境引出状态函 数自由能。 二讲授新内容(80分钟) 3.3.4化学反应的自发性与吉布斯自由能 3.3.4.1吉布斯(Gibbs)自由能 一板书标题 1876年美国热力学家J.W.Gibbs提出自由能概念，遂引出一个新的状态函数Gibbs 一一设疑提问 自由能(G,定义： 一一板书 G=H-TS 一个体系在等温等压条件下，从开始状态G1(G=H一TS)至终了状态G(G2=h 一一板书 一TS2),则自发的化学反应 △G=G2-G1=(h-TS2)-(H-TS)0 不可能自发进行，其逆过程可自发进行 忆 △G=0 过程处于平衡状态 化学反应大都在等温、等压且体系不做有用功条件下进行，所以，利用过程的△G作 为判断化学反应是否自发进行的准则就十分重要而且方便。 若每摩尔反应或每摩尔反应在标准状态下进行，此时的△，G为△，G或△，G。等温 等压下化学反应的方向和限度的判据。反应的自由能变A,G值的大小取决于4，H、4S及 一一板书，要求 T。表2-1给出了四种情况下，△H、△S及T对△，G值的影响。 必须掌握 31
甘肃农业大学 教案 教 学 过 程 批 注 31 一．导入新课（3～5 分钟） 复习上节内容，由熵判断化学反应的自发性既要考虑体系还需要考虑环境引出状态函 数自由能。 二 讲授新内容（80 分钟） 3.3.4 化学反应的自发性与吉布斯自由能 3.3.4.1 吉布斯(Gibbs)自由能 1876 年美国热力学家 J．W. Gibbs 提出自由能概念，遂引出一个新的状态函数 Gibbs 自由能(G)，定义： G≡H-TS 一个体系在等温等压条件下，从开始状态 G1(G1= H1－TS1)至终了状态 G2(G2= H2 －TS2)，则自发的化学反应 ΔG＝G2－G1=（H2－TS2）－（H1－TS1）＜0 它表明在等温等压条件下，一个自发变化过程，自由能的改变是负值。换句话说， 自发变化要降低体系的自由能。于是用自由能判断反应方向时不必去管环境。由于焓 H 、 温度 T 和熵 S 均为状态函数，因此由它们组合的复合函数 G 应具有状态函数的一切特性。 吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs—Helmhltz)公式 ∵G = H-TS 在等温等压条件下体系由状态 1 变化到状态 2 时：则 G2－ G1 ＝（H2－TS2）－（H1－TS1） ＝（H2－H1）－T（S2－S1） ΔG=ΔH-TΔS 此为吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs—Helmhltz)公式，是热力学中非常重要而实用的公 式。将此式应用于化学反应，则可得 ΔrG=ΔrH-TΔrS 若对于每摩尔反应，则 ΔrGm = ΔrHm-TΔrSm 若对于每摩尔反应在标准状态下进行，则 θ r m θ r m θ ΔrGm =Δ H −TΔ S rGm 和 θ ΔrGm 分别称为化学反应的摩尔吉布斯自由能变和标准摩尔吉布斯自由能变， 两者的值均与反应式的写法有关，单位为 J∙mol-1 或 kJ∙mol-1。 3.3.4.2 反应方向的判据 由热力学原理证得：对等温等压且体系不做有用的过程，若 G 0 不可能自发进行，其逆过程可自发进行 G =0 过程处于平衡状态 化学反应大都在等温、等压且体系不做有用功条件下进行，所以，利用过程的 G 作 为判断化学反应是否自发进行的准则就十分重要而且方便。 若每摩尔反应或每摩尔反应在标准状态下进行，此时的 rG 为 rGm 或 θ ΔrGm 。等温 等压下化学反应的方向和限度的判据。反应的自由能变 rG 值的大小取决于 rH 、 S r 及 T。表 2-1 给出了四种情况下， rH 、 S r 及 T 对 rG 值的影响。 —―板书标题 ――设疑提问 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――强 调自由 能定义的条件 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ――板书 ―要求 准确记 忆 ――板书，要求 必须掌握
甘肃农业大学 教案 教学过程 批注 表2-1等压下△H、△S及T对A.G值的影响 △H △S △G=△HT△S 反应情况 任何温度下都不能自发进行 + 任何温度下都能自发进行 +。(高温时) 高温下不能自发进行 一一板书， -(低温时) 低温下能自发进行 一一要求能灵 +(低温时) 低温下不能自发进行 + 活应用 -(高温时) 高温下能自发进行 2.5.3△G与有用功 热力学证明，在等温等压条件下，体系的状态发生变化时，对外所作的有用功与体 系的自由能变化量有关。那么两者间存在着怎样的关系呢？ 由热力学第一定律：4=Q-W=Q一D4+W)W代表有用功 ∴.4p4=Q-W 在等压条件下44U+p4V 4=0-R 一一板书推导 在等温条件下△G=△H-TAS 过程 =Q-W”-T△S O 由熵的定义 △S= T得7AS △G=Q-m”-Q=-厘或一△G=F 可见，在等温等压条件下，体系从状态A变化到状态B时，对外所作的有用功(W') 等于体系自由能的减少(~△0。化学反应一般是在等温等压下进行的，故其所作的最大 有用功就可用反应前后的自由能变化量来衡量。 3.3.4.3标准摩尔摩尔生成自由能 一一强调应用 因吉布斯自由能是体系的状态函数，在化学反应中如果我们能够知道反应物和生成 条件 物的吉布斯自由能数值，则反应前后吉布斯自由能的变化△G等于产物的吉布斯自由能 总和减去反应物吉布斯自由能的总和。即 △，G=∑y,G产物)-∑v,G(反应物1 规定：茌标准状态下，元紫的最稳定单质的标准摩尔生成自由能等于零。由最稳定 一一板书 的单质生成单位物质的量的某物质的反应的自由能变称为该物质的标准摩尔生成自由 能，以符号△，G(T刀表示。单位为小mo或k小moll。化合物在298K时的标准摩尔生 成自由能的数据可以在附录V中查到。 有了标准摩尔生成吉布斯自由能的数据，就可以很方便地计算出许多反应的标准摩 尔自由能变。例如，在标准状态下进行的化学反应 一一板书，记忆 aA +bB =dD+eE 一一要求准确 把握标准生成 32
甘肃农业大学 教案 教 学 过 程 批 注 32 表 2-1 等压下 rH 、 S r 及 T 对 rG 值的影响 2.5.3 G 与有用功 热力学证明，在等温等压条件下，体系的状态发生变化时，对外所作的有用功与体 系的自由能变化量有关。那么两者间存在着怎样的关系呢? 由热力学第一定律： ΔU=Q-W＝Q－(pΔV+ Wˊ) Wˊ代表有用功 ∴ ΔU+ pΔV= Q－Wˊ 在等压条件下 ΔH=ΔU+ pΔV ∴ ΔH=Q－Wˊ 在等温条件下 ΔG = ΔH－TΔS = Q－Wˊ－TΔS 由熵的定义 T Q S = 得 Q=TΔS ∴ ΔG = Q－Wˊ－Q = －Wˊ或 －ΔG = Wˊ 可见，在等温等压条件下，体系从状态 A 变化到状态 B 时，对外所作的有用功(Wˊ) 等于体系自由能的减少(-ΔG)。化学反应一般是在等温等压下进行的，故其所作的最大 有用功就可用反应前后的自由能变化量来衡量。 3.3.4.3 标准摩尔摩尔生成自由能 因吉布斯自由能是体系的状态函数，在化学反应中如果我们能够知道反应物和生成 物的吉布斯自由能数值，则反应前后吉布斯自由能的变化ΔrG 等于产物的吉布斯自由能 总和减去反应物吉布斯自由能的总和。即 rG = j jG(产物j) － i iG(反应物i) 规定：在标准状态下，元素的最稳定单质的标准摩尔生成自由能等于零。由最稳定 的单质生成单位物质的量的某物质的反应的自由能变称为该物质的标准摩尔生成自由 能，以符号 θ ΔfGm （T）表示。单位为 J∙mol-1 或 kJ∙mol-1。化合物在 298K 时的标准摩尔生 成自由能的数据可以在附录Ⅳ中查到。 有了标准摩尔生成吉布斯自由能的数据，就可以很方便地计算出许多反应的标准摩 尔自由能变。例如，在标准状态下进行的化学反应 aA + bB ══dD + e E rH S r ΔrG = ΔrH-TΔrS 反应情况 + - + 任何温度下都不能自发进行 - + - 任何温度下都能自发进行 - - + （高温时） -（低温时） 高温下不能自发进行 低温下能自发进行 + + + （低温时） - （高温时） 低温下不能自发进行 高温下能自发进行 ――板书， ――要 求能灵 活应用 ――板 书推导 过程 ――强 调应用 条件 ――板书 ――板书，记忆 ――要 求准确 把握标 准生成
甘肃农业大学 教案 教 学过程 批注 △，G=∑，4，G(产物)-∑y,AG(反应物) 自由能的概念 2.5.5吉布斯一赫姆霍兹方程式的应用 (1)可用来判断反应在标准状态下是否自发进行。 (2)求转折温度 根据吉布斯一赫姆霍兹方程式 一一板书 △，G9(T0=A,H9(T)-TA,S8(T) 对于化学反应，在一般情况下，温度对反应的△，H。与△，S.数值影响不大，故可近 似地用A,H(298K和△，S8(298K)的数值来代替在任一温度T时的△，H8(T)与 △，S9(T)。这样，上面公式可写成： 一一板书并举 例说明其应用， △，G(T)=△，H(298K)-TA,S日(298K) 运用例题强调 反应的自由能 改变与温度有 三小结(5~8分钟) 1自由能是状态函数，只与起态和终态有关，而与过程无关： 关，这是与熵变 和焓变不同的 2吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs-一Helmh1tz)公式： 3物质的标准摩尔生成自由能和反应的自由能变： 4吉布斯一赫姆霍兹方程式的应用。 5帮助同学小结本章内容（因这章内容多而且难） 例题(2个) 四布置作业： 附：板书设计： 主板： 副板： 2.5吉布斯自由能与化学反应的方向 2.5.1吉布斯(Gibbs),自由能与自发过程 2.5.2吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs-一Helmh1tz)公式 分析并举例说明 2.5.3△G与有用功 2.5.4物质的标准摩尔生成自由能和反应的自由能变 例题 2.5.5吉布斯一赫姆霍兹方程式的应用 例题 强调：反应的焓 变和熵变与温 度没有关系，而 自由能则不同 与温度有关。 例题 33
甘肃农业大学 教案 教 学 过 程 批 注 33 θ ΔrGm =∑ j j G ( j ） θ f m 产物 － i i fG（反应物 θ m i） 2.5.5 吉布斯—赫姆霍兹方程式的应用 （1）可用来判断反应在标准状态下是否自发进行。 （2）求转折温度 根据吉布斯—赫姆霍兹方程式 θ ΔrGm (T)= θ ΔrHm (T)－ θ Δr m T S (T) 对于化学反应，在一般情况下，温度对反应的 ΔrHm 与 Δr m S 数值影响不大，故可近 似地用 θ ΔrHm (298K) 和 θ Δr m S (298K) 的数值来代替在任一温度 T 时的 θ ΔrHm (T)与 θ Δr m S (T)。这样，上面公式可写成： θ ΔrGm （T）＝ θ ΔrHm （298K）－ θ Δr m T S （298K） 三 小结（5～8 分钟） 1 自由能是状态函数，只与起态和终态有关，而与过程无关； 2 吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs—Helmhltz)公式； 3 物质的标准摩尔生成自由能和反应的自由能变； 4 吉布斯—赫姆霍兹方程式的应用。 5 帮助同学小结本章内容（因这章内容多而且难） 四 布置作业： 附：板书设计： 主板： 副板： 2．5 吉布斯自由能与化学反应的方向 2．5．1 吉布斯(Gibbs)自由能与自发过程 2．5．2 吉布斯一亥姆霍兹(Gibbs—Helmhltz)公式 分析并举例说明 2．5．3 G 与有用功 2.5.4 物质的标准摩尔生成自由能和反应的自由能变 例题 2.5.5 吉布斯—赫姆霍兹方程式的应用 例题 自由能的概念 ――板书 ――板 书并举 例说明其应用， 运用例 题强调 反应的 自由能 改变与 温度有 关，这是与熵变 和焓变不同的 例题（2 个） 强调：反应的焓 变和熵 变与温 度没有关系，而 自由能 则不同 与温度有关。 例题
