化学反应的方向
化学反应的方向
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化学反应的方向
一、
化学反应的方向所研究的主题是：
化学反应的可能性
化学是研究物质变化的
科学，在实际生产中经常要研究诸如如何使有害气体变废为宝的化学反应，例如：把工业废气
CO
2
转化为甲醇（
CH
3
OH
），这个
反应有没有实现的可能？是否可以投入生产？这一研究具有重大的意义。只有某反应具有发生的可能性，才有后续批量生产的研究价值。所以，在研究一个陌生反应时，首先要考虑的是反应能否发生。
化学史上有一个著名的史实：
早在
1791
年，人们就在
金红石
的矿物中发现了钛元素（该矿物的主要成分是
TiO2,
含量
95%
）。然而，直到
1910
年，
历经
100
多年，
人们第一次才得以制得纯净的钛。
这是为什么呢？
一开始，
化学家们为了能从矿物中制备
金属钛
，设计了如下反应：
TiO2(s)+2Cl2(g)=
TiCl4
(l)+O2(g)
（
1
）
TiCl4(l)+2Mg(s)=Ti(s)+2MgCl2(s)
（
2
）
接着，就针对这两个反应展开研究如何改变反应条件使反应得以实现。然而，化学家们花费了大量的时间和精力，实验了很多次，还是无法成功。原来，第一个反应在任何温度条件下都不能发生。
因此，在化工生产中对能够发生的化学反应，研究和选择合适的反应条件才有实际意义，否则，可能就是徒劳无功的。故，判断
自发反应
的方向尤其重要。
（一）四个基本概念
1
、自发过程：在一定条件下，不用借助外力，就可以自发进行的过程。
如：水往低处流、扩散等
2 、自发反应：在一定条件下，不用借助外力，就可以自发进行的化学反应。
如：金属铁在潮湿的空气中生锈，这是自发反应；即，只要潮湿和空气两个条件，铁就会生锈，生锈的铁不会自动的还原为生锈前的铁单质。
再如：镁条在空气中的温度只要达到其着火点就会燃烧，直至镁条烧尽，不会自动熄灭。
3
、非自发过程：必须外界持续做功，否则，过程就会停止，这样的过程叫做“非自发过程”。
如：水车使水往高处流。
4
、非自发反应：通电、光照这种需要外界条件做功的反应归为非自发反应。
如：光合作用、电解水等。
【注意 】 常温条件下就可以发生的反应是自发反应；有条件的反应也可以是自发反应，如：燃烧是自发反应，反应条件是点燃。但通电、光照这种需要外界条件做功的反应归为非自发反应。
（二） 如何判断反应是否自发
通过对大量自发反应的研究发现，多数放热反应是属于自发反应，但也有 吸热反应 也是自发反应。可见，反应的热量变化不是反应是否属于自发的唯一判据。于是，研究出 熵判据。
1、 熵与 熵增原理
熵（
S
）：是用来量度混乱（或无序）的程度。
在密闭条件下，体系有从有序自发地转变为无序的倾向。与有序体系相比，无序体系
“
更加稳定
”
，可以采取更多地存在方式。在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，即熵变（符号
△S
）大于零，这个原理叫做熵增原理。
在用来判断过程的方向时，就称为熵判据。即混乱度趋于增加
△S>0
，有自发进行倾向。
【拓展】
熵增
定律又称热力学第二定律，被爱因斯坦称为
“第一法则”也是“唯一永恒的定律”。这个原理不仅用在自然科学，对于指导我们日常生活的所有方方面面都具有万能的巨大的价值！
整齐的桌面为什么会凌乱？为什么睡觉比工作更容易被接受？朝代为什么会更迭？这些所有的问题都可以用一个定律来解释就是
熵增原理
。
生命会死亡最终由有序归为无序的生命终结，人类所有的努力都是为了对抗熵增。
2
、熵的大小规律
(1)
与物质的存在状态有关：对于同一种物质，等物质的量的该物质其熵值（混乱度）大小与物质的存在状态有关。由于气态分子比液态的分子中的间隔要大，而液态分子比固态分子的间隔要大，所以，
S(g)>S(l)>S(s)
，即气态
>
液态
>
固态。
(2)
与物质的量有关：物质的量越大，分子数越多，熵值越大。
(3)
不同物质熵值间的关系：物质的组成越复杂，其熵值越大，一般组成物质的原子种类相同时，一个分子中的原子数目越多，其混乱度越大，熵值也越大。
二、
化学反应的方向判据
（一）
焓变与熵变对
自发
反应的共同影响
△H< 0
，
△S
＞
0
在任何温度下都正向自发
“
小大自发
”
即放热且混乱度增大的反应是可以自发进行的反应。
△H
＞
0
，
△S < 0
在任何温度下都不正向自发
“
大小不发
”
即吸热且混乱度减小的反应是不可以自发进行的反应。
△H< 0
，
△S < 0
在较低温度下正向自发
“
小小低发
”
即放热且混乱度减小的反应在较低温度下可以自发进行。
△H
＞
0
，
△S
＞
0
在较高温度下正向自发
“
大大高发
”
即吸热且混乱度增大的反应在较高温度下可以自发进行。
（二）综合判据： 焓变 、 熵变与 温度三者共同判断
利用吉布斯自由能的大小，可以判断反应的自发性：
在等温、等压条件下的封闭体系中（不考虑体积变化做功以外的其它功）
△G=△H-T△<0
，反应能自发进行；
△G=△H-T△S>0
，反应不能自发进行；
△G=△H-T△S=0
，反应达到平衡状态
。
【问题解决】
科学家设计的第一步反应：
TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(l)+O2(g)
△H=+161.9KJ/mol
，
△S=-38.4J/(mol·K)
不能自发反应。
另一个方案：科学家们为了解决这一难题，想出来另外一个方案：向二氧化钛与氯气的反应体系中加入石墨，
从而实现了此反应得以自发进行。
TiO2(s)+2Cl2(g)+2C
（石墨）
=TiCl4(l)+2CO(g)
ΔH=-59.1kJ·mol
-1
，
△S=141.0J·mol
-1
·K
-1
。
【
规律方法总结
】
自发反应中的焓变和熵变的关系
1
、在温度、压力一定的条件下，放热的熵增加的反应一定能自发进行
2
、在温度、压力一定的条件下，吸热的熵减少的反应一定不能自发进行
3
、当焓变和熵变的作用相反时，如果二者大小相差悬殊，可能某一因素占主导地位
4
、当焓变和熵变的作用相反且二者相差不大，温度可能对反应的方向起决定性作用
5
、无热效应的自发过程是熵增加的过程，如两种理想气体的混合等。
综上所述，
化学反应能否自发进行，仅仅依靠实验研究，付出的代价往往很大，有时还可能是徒劳的！为此，有必要寻找理论上的判据。
研究一个化学反应的思路是考虑该反应在指定条件下能否发生，以及什么条件下可能发生，要综合考虑焓变和熵变来判断化学反应的可能性，即化学反应的方向。 对于不能发生的反应可做出预判，以减少不必要的无效研究；或通过改变条件，如：通电、光照等条件使之强制发生 。
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