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谈一谈自发反应

来源:未知作者:岳文虹 点击:所属专题: 自发反应
中学化学教材(人教版)选修四《化学反应原理》第 二章第四节的内容是“化学反应进行的方向”。这节内容是新课程改革后新增加的内容。我省从2008年加入课改,但经过近三轮的教学后,发现许多教师还是对这一 节内容中的化学反应的自发性存在着很多的困惑。包括配套练习册中也存

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中学化学教材(人教版)选修四《化学反应原理》第 二章第四节的内容是“化学反应进行的方向”。这节内容是新课程改革后新增加的内容。我省从2008年加入课改,但经过近三轮的教学后,发现许多教师还是对这一 节内容中的化学反应的自发性存在着很多的困惑。包括配套练习册中也存在着错误的认识:如将天然气的燃烧定为是一个非自发的过程。在对教材认真钻研和査阅大量文献的基础上,谈一谈对这个问题的看法。

一、什么是自发反应?

在教学中’教师存在的第一个困惑就是:到底什 么是自发反应?

人教版的中学化学教材没有对自发反应给出明确的概念。江苏教育出版社出版的吴星教授主编的《中学化学疑难辨析》一书中指出,高校的无机化学教材中将自发反应定义为:“如果在给定的条件下,一个反应可以自发地正向进行到显著程度,称为自发反应。高中化学教材(江苏教育出版社出版的《化学反 应原理》(选修))中将自发反应定义为:“在一定条件下,不需外界帮助就能正常进行的反应称为自发反应”。北京师范大学等高等教育出版社出版的无机化学,对自发反应有如下的叙述:“在一定条件下不需外力作用就能自动进行的过程,称为自发过程,如室温时冰的融化、铁器在潮湿空气中的生锈,甲烷和氧的混合气体遇火燃烧都是自发过程”。同时写有:“吉布斯证明:在恒温恒压下如果在理论上或实践上一个反应能被利用来完成其它功,这反应是自发的,如果必需由环境提供其它功去使反应发生,这反应不是自发 的”。另福建化学教育研究所吴新建教授的《《化学反 应原理》模块中若干热力学问题探讨》一文中,也提到:所谓自发反应是指,“在一定条件下,无需外界帮 助就能正常进行的反应”。沿袭了苏教版的说法。但无论是吴星还是吴新建所著文章中都对此“ 一定条件”进行了分析,都认为此条件太模糊,应该明确,此时的一 定条件应是反应发生所需要的体系环境,如温度、压力等。因此,什么是自发反应?在一定温度和压强下,不需外界帮助就能正常进行的反应称为自发反应。

二、如何理解外界帮助?

甲烷燃烧反应的条件是点燃,点燃是外界帮助吗?合成氨反应条件为“高温、高压、催化剂”,“高温、 高压、催化剂”是外界帮助吗?碳酸钙分解的反应条件是高温,高温是外界帮助吗?这些反应是自发反应吗?

吴新建指出:“所谓外界帮助,是推动反应进行的非环境因素,比如通电等。条件改变将改变一个反应 体系的起始状态的性质,而外界帮助则改变了反应自身行为,并未改变其状态。反应中的加温,只是在不断地改变反应的条件,使反应体系的状态不断改变,当温度达到某一点,即自发变化所需要的体系状态要求时,对反应而言此时的条件是确定的,体系状态不需其他帮助就能自发将反应(或变化过程)进行下去。因 此,改变温度,仅仅是为创造一个适合反应自发进行的体系状态的助力,并未改变反应自身行为”。

下面我们逐一来厘清:

在甲烷的燃烧反应中,我们常标明的反应条件是点燃。那是否意味着:没有点燃的条件下,甲烷的燃烧反应是非自发反应。这种说法是错误的。有文献指出,点燃或加热的作用是克服谈一谈自发反应活化能、补充反应过程中的热量散失和提供动力学的速率启动能,与反应的方向无关。

参照吴星教授的说法,“在教学中,应防止将自发反应中所讲的“ 一定条件”与我们书写化学方程式时所注明的“反应条件”相混淆。实际上化学方程式上注明的反应条件,如点燃、高温、加热、催化剂等是指反应能被显著地观察到从左向右进行所需要的条件。而定义自发反应所讲的一定条件是指一定的温度和压强。如我们把氢气和氧气放在一起并没有看到有水生成反应速率很慢但该反应是自发反应),但如果在氧气中将氢气点燃就观察到迅速有水生成,因而通常将氢气和氧气反应的化学方程式写成点燃条件下的反应。又如合成氨反应我们都要在化学方程式上注明反应条件为高温、高压、催化剂”,但合成氨 反应在室温和常压下也是自发的。我们是否可以理 解为:非自发反应需借助于外力的持续性,一旦外力停止,反应仍还能进行下去,则应为自发反应。如甲烷的燃烧,点燃后反应还可自行进行下去。因此其应为 自发反应,水的电解,一旦停止通电,反应即停止,因此其为非自发反应。因此,通电属于外界帮助,而点 燃、高温、加热、催化剂等不属于外界帮助。甲烷的燃烧用此推理较好理解,但合成氨的反应在室温和常压下也是自发的。理解起来有些困难。可以借用中学教 材里的一句话:“过程的自发性只能用于判断过程的 方向,不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速 率。也就是说:合成氨的反应在室温和常压下的反应类似于氢气和氧气混合后但未点燃的情形,(反应速率很慢,但该反应是自发反应在高温、加热、催化剂的条件下使得这个反应的速率加快,迅速发生。因 此,合成氨的反应在室温和常压下也是自发的,高温、 加热、催化剂等反应条件只是加速了它的反应,所以, 这些条件不属于外界帮助。

对反应 CaCO3(s) = CaO(s)+CO2(g)来讲,这是 一个吸热反应,一旦停止高温条件,反应也立即停止 了,那此反应的高温条件属于外界帮助吗?

此反应和合成氨的反应条件都涉及到了高温,二者的不同在于合成氨反应是一个放热反应,而碳酸钙的分解是一个吸热反应。碳酸钙分解时,一旦停止高温条件,反应也立即停止了。因此,在讨论碳酸钙的分解反应是否为自发反应时,必须强调条件。此时反应的高温条件不属于外界帮助,是反应的前提。即碳酸钙的分解,高温下是自发反应,常温常压下是非自发反应。一旦取消高温条件,反应由自发反应转为非自发反应。因为自发反应的前提就是一定条件下的反应,不谈条件来讨论碳酸钙的分解是自发还是非自发过程是没有意义的。

因此,对“外界帮助”的理解,是看在一定条件下, 此外力取消,反应是否还能进行?

三、如何判断一个反应是否为自发反应?

判断反应是否为自发反应,其实就是对自由能 ΔG>0或<0的判断。自由能判据应是反应自发性的唯 一标准。

但在中学化学的具体教学中,自由能判据是不做要求的,教师和学生如何把握一个化学反应是或不是 自发反应呢?

大学教材里的一句话也许可以提供帮助:“经过 大量的研究发现:所有放热反应在298K和101.3kPa 下是自发的”,因此、合成氨的反应、天然气的燃烧等放热反应通常均为自发反应。而常见的吸热反应,如教材中提到的氢氧化钡晶体与氯化铵的反应在常温 常压下是自发反应,碳酸钙的分解,高温下是自发反 应。其它不常见的吸热反应,如果要判断,应给出相关信息。自发反应从课标要求来说应只是了解,不宜过多深入。如果有人死缠烂打,那只能是计算自由能ΔG 来进行判断了。

(责任编辑:化学自习室)
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