师：同学们好，今天由我带领大家学习化学课程，专题是选修4第二章第四节——化学反应进行的方向。选修4第二章主要包含三个方面内容：第一，研究化学反应快慢，包括化学反应速率及其影响因素；第二，研究化学反应限度，涵盖化学平衡的移动及化学平衡常数。这两部分内容大家已深入学习。今天我们要探讨化学反应能否发生以及在什么条件下发生，也就是化学反应进行的方向。
大家先看这张城市交通照片，拥挤的车流不仅给交通带来不便，还对城市环境造成了什么影响？
生：污染了城市的大气。
师：对，汽车排放的尾气会污染环境，那汽车尾气中有毒有害的化学成分是什么？
生：氮的氧化物，比如一氧化氮。
师：没错，如果汽油不充分燃烧，还有可能产生一定量的一氧化碳。一氧化碳和一氧化氮都是有毒气体，我们能不能让这两种有毒气体反应生成无毒的氮气和二氧化碳呢？这就是我们要研究的化学反应方向问题。
为了研究化学反应的推动力，我们从自然界的一些自发过程中找灵感。像高山流水总是从高处往低处流，石头总是从山顶往山下滚，这些过程都是自发的。还有电流总是从电势高的地方向电势低的地方流动，铁器暴露在潮湿空气中会生锈，这些过程需要借助外力吗？
生：不需要。
师：对，我们把不需要借助外力就能完成的过程称为自发过程，相应地，需要借助外力才能实现的过程就是非自发的。自发过程有明确的方向性，能够对外做功或者释放能量。具体到化学反应，在一定条件下不需要借助外力，一个反应可以自发进行到显著程度，这样的反应称为自发反应。自发反应属于自发过程，是自发过程的一部分。例如天然气甲烷的燃烧反应、锌和硫酸的反应都是自发的，而常温下水分解为氢气和氧气就是非自发的，需要电解才能实现。
那么这些自发过程的推动力究竟是什么因素呢？我们回到刚才列举的生活例子，水从高处往低处流，石头从山顶往山下滚，它们的能量是怎么改变的？
生：从高能状态向低能状态转变。
师：对，在这个过程中同时对外做功或者放热。再看化学反应的例子，氢气燃烧、酸碱中和、金属钠和水反应、氨气和氯化氢反应，这几个反应的共同点是什么？
生：反应放热，ΔH小于0。
师：像这样的燃烧、酸碱中和、活泼金属与酸反应等常见的放热反应都容易自发进行，原因是反应物比生成物的能量高，所以放热反应体系的能量降低有利于反应自发进行。这种在自发过程中，体系趋向于从高能状态转变为低能状态，ΔH小于0的经验规律，我们称之为能量判据，又叫焓判据。焓变是用于判断化学反应进行方向的依据之一。对于化学反应而言，绝大多数的放热反应能自发进行，且放出的热量越多，体系能量降低越多，反应越完全。
我举个具体例子，已知石墨和氧气反应生成二氧化碳，焓变是 -393.5千焦每摩尔；金刚石和氧气反应生成二氧化碳，焓变是 -395.0千焦每摩尔。请同学们观察这两个方程式，分析一下金刚石转化为石墨的反应自发性。
生：根据盖斯定律，用方程式2减去方程式1得到金刚石变为石墨焓变是 -1.5千焦每摩尔，小于0，所以金刚石的能量比石墨的能量高，从焓判据的角度来看，这个反应有自发进行的倾向性。
师：非常好。前面我们看到很多放热反应在一定条件下可以实现，同学们有没有遇到过吸热反应也能自动进行的呢？我们来看一个熟悉的实验——氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应。
本实验用到的实验用品主要有氯化铵、八水合氢氧化钡晶体和水。在木片上滴几滴水，取20克研细的八水合氢氧化钡晶体与10克氯化铵晶体一起放入烧杯中，并将该烧杯放在木片上，用玻璃棒快速搅拌，可以闻到刺激性气味。迅速用玻璃片盖上烧杯，用手触碰杯壁下部，感觉很凉。试着用手拿起烧杯，可观察到烧杯底部与木片冻结在一起。在这一过程中，八水合氢氧化钡与氯化铵反应生成氯化钡、水和有刺激性气味的氨气，同时会吸收大量的热，导致烧杯与木片之间的水结冰，使得烧杯和木片冻结在一起。
大家看到氢氧化钡和氯化铵反应是一个吸热反应，在常温下能够进行。同学们，你们还能列举其他的吸热反应也能在一定条件下自动进行的例子吗？
生：碳和水生成一氧化碳和氢气，这是一个吸热反应，可以进行；五氧化二氮分解生成二氧化氮和氧气也是一个吸热反应，也可以进行。
师：从这些例子可以看出，焓变效应不足以解决所有反应自发性的问题，肯定还有其他因素决定反应的方向。那究竟是什么因素呢？我们再从生活中找灵感。大家看，一盒火柴洒落地面会怎样？
生：从整齐有序到杂乱无章。
师：一滴墨水落入清水中呢？
生：迅速扩散。
师：一颗盐粒落入水中呢？
生：慢慢地溶解。
师：下课铃响了，教室会怎么样？
生：乱糟糟的。
师：同学们看，这看似毫不相干的事件之间有什么共同联系呢？
生：都是从有序变为无序，也就是混乱状态。
师：对，这是自发过程的另一个特征。关于物质的混乱状态，德国物理学家克劳修斯提出了一个熵的概念。熵是描述大量粒子混乱度的一个物理量，用符号S表示。每一个体系都有熵值，反应前后体系熵的变化叫反应的熵变，用ΔS表示，ΔS等于生成物的总熵减去反应物的总熵。前面我们列举的火柴散落、墨水扩散、盐的溶解都是熵值增加的过程，在这些过程中，体系趋向于混乱度增大，即ΔS大于0。我们称之为熵判据，这也是化学反应进行方向的判据之一。
体系的熵值大小与物质的聚集状态有什么关系呢？我们看看水的例子。气态的水熵值比液态的水熵值大，液态的比固态的大。所以我们总结出，同一种物质，气体的熵值比液体的熵值大，液体的熵值比固体的熵值大。
这里我列举了几个在一定条件下能自发进行的反应，大家看看它们有什么共同规律？
生：都是熵增的反应。
师：对，这几个反应都是气体分子数增多的，所以一般情况下，反应体系中气体分子数增多，熵值增加，ΔS大于0，熵值增加有利于化学反应自发进行。再来看这样几个反应，判断一下这几个反应ΔS是大于0还是小于0。第一个反应自由粒子数增多，所以ΔS大于0。第二个反应气体分子数增多，ΔS大于0。第三个反应、第四个反应都是气体分子数减小的反应，所以它们的熵变是小于0的。那我们看到这四个反应都是可以自发进行的反应，为什么第三个、第四个熵减小也能进行呢？
生：它们是放热的反应。
师：所以我们看到，要正确判断一个化学反应是否能够自发进行，必须综合考虑反应的焓变和熵变。
一定条件下，焓变、熵变与反应自发性的关系有以下四种组合：第一种组合，ΔH小于0，ΔS大于0，无论从熵变还是从焓变的角度，这个反应都是自发的；第二种，ΔH大于0，ΔS小于0，无论从熵变还是从焓变的角度都是非自发的；第三种情况，ΔH小于0，从焓变的角度是可以的，但ΔS小于0，从熵变的角度就不行了，所以这个反应能否自发就不一定了；同样，第四种情况也不一定，因为它的ΔH是大于0的，从焓判据的角度，不一定能发生。我们看到焓判据和熵判据判断化学反应方向问题有时候是统一的，有时候是矛盾的，怎么解决这个矛盾呢？