談一談自發(fā)反應

岳文虹（大同同煤一中　山西大同　037003）

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談一談自發(fā)反應

岳文虹
（大同同煤一中山西大同037003）

摘要：許多教師在“化學反應進行的方向”教學中存在困惑，如何認識自發(fā)反應？什么是自發(fā)反應？如何理解外界幫助？如何判斷一個反應是否為自發(fā)反應？文章從這幾個問題入手，為教師具體教學提供幫助。

關鍵詞：自發(fā)反應；一定條件；外界幫助

中學化學教材（人教版）選修四《化學反應原理》第二章第四節(jié)的內(nèi)容是“化學反應進行的方向”。這節(jié)內(nèi)容是新課程改革后新增加的內(nèi)容。我省從2008年加入課改，但經(jīng)過近三輪的教學后，發(fā)現(xiàn)許多教師還是對這一節(jié)內(nèi)容中的化學反應的自發(fā)性存在著很多的困惑。包括配套練習冊中也存在著錯誤的認識：如將天然氣的燃燒定為是一個非自發(fā)的過程。在對教材認真鉆研和查閱大量文獻的基礎上，談一談對這個問題的看法。

一、什么是自發(fā)反應?

在教學中，教師存在的第一個困惑就是：到底什么是自發(fā)反應？

人教版的中學化學教材沒有對自發(fā)反應給出明確的概念。江蘇教育出版社出版的吳星教授主編的《中學化學疑難辨析》一書中指出，高校的無機化學教材中將自發(fā)反應定義為：“如果在給定的條件下，一個反應可以自發(fā)地正向進行到顯著程度，稱為自發(fā)反應”［1］；高中化學教材（江蘇教育出版社出版的《化學反應原理》（選修））中將自發(fā)反應定義為：“在一定條件下，不需外界幫助就能正常進行的反應稱為自發(fā)反應”。北京師范大學等高等教育出版社出版的無機化學，對自發(fā)反應有如下的敘述：“在一定條件下不需外力作用就能自動進行的過程，稱為自發(fā)過程，如室溫時冰的融化、鐵器在潮濕空氣中的生銹，甲烷和氧的混合氣體遇火燃燒都是自發(fā)過程”［2］。同時寫有：“吉布斯證明：在恒溫恒壓下如果在理論上或實踐上一個反應能被利用來完成其它功，這反應是自發(fā)的，如果必需由環(huán)境提供其它功去使反應發(fā)生，這反應不是自發(fā)的”［2］。另福建化學教育研究所吳新建教授的《《化學反應原理》模塊中若干熱力學問題探討》一文中，也提到：所謂自發(fā)反應是指，“在一定條件下，無需外界幫助就能正常進行的反應”。沿襲了蘇教版的說法。但無論是吳星還是吳新建所著文章中都對此“一定條件”進行了分析，都認為此條件太模糊，應該明確，此時的一定條件應是反應發(fā)生所需要的體系環(huán)境，如溫度、壓力等。因此，什么是自發(fā)反應？在一定溫度和壓強下，不需外界幫助就能正常進行的反應稱為自發(fā)反應。

二、如何理解外界幫助?

甲烷燃燒反應的條件是點燃，點燃是外界幫助嗎？合成氨反應條件為“高溫、高壓、催化劑”，“高溫、高壓、催化劑”是外界幫助嗎？碳酸鈣分解的反應條件是高溫，高溫是外界幫助嗎？這些反應是自發(fā)反應嗎？

吳新建指出：“所謂外界幫助，是推動反應進行的非環(huán)境因素，比如通電等。條件改變將改變一個反應體系的起始狀態(tài)的性質(zhì)，而外界幫助則改變了反應自身行為，并未改變其狀態(tài)。反應中的加溫，只是在不斷地改變反應的條件，使反應體系的狀態(tài)不斷改變，當溫度達到某一點，即自發(fā)變化所需要的體系狀態(tài)要求時，對反應而言此時的條件是確定的，體系狀態(tài)不需其他幫助就能自發(fā)將反應（或變化過程）進行下去。因此，改變溫度，僅僅是為創(chuàng)造一個適合反應自發(fā)進行的體系狀態(tài)的助力，并未改變反應自身行為”［3］。

下面我們逐一來厘清：

在甲烷的燃燒反應中，我們常標明的反應條件是點燃。那是否意味著：沒有點燃的條件下，甲烷的燃燒反應是非自發(fā)反應。這種說法是錯誤的。有文獻指出，點燃或加熱的作用是克服活化能Ea、補充反應過程中的熱量散失和提供動力學的速率啟動能，與反應的方向無關。

參照吳星教授的說法，“在教學中，應防止將自發(fā)反應中所講的“一定條件”與我們書寫化學方程式時所注明的“反應條件”相混淆。實際上化學方程式上注明的反應條件，如點燃、高溫、加熱、催化劑等是指反應能被顯著地觀察到從左向右進行所需要的條件。而定義自發(fā)反應所講的“一定條件”是指“一定的溫度和壓強”。如我們把氫氣和氧氣放在一起，并沒有看到有水生成（反應速率很慢，但該反應是自發(fā)反應），但如果在氧氣中將氫氣點燃，就觀察到迅速有水生成，因而通常將氫氣和氧氣反應的化學方程式寫成點燃條件下的反應。又如合成氨反應，我們都要在化學方程式上注明反應條件為“高溫、高壓、催化劑”，但合成氨反應在室溫和常壓下也是自發(fā)的”［1］。我們是否可以理解為：非自發(fā)反應需借助于外力的持續(xù)性，一旦外力停止，反應仍還能進行下去，則應為自發(fā)反應。如甲烷的燃燒，點燃后反應還可自行進行下去。因此其應為自發(fā)反應，水的電解，一旦停止通電，反應即停止，因此其為非自發(fā)反應。因此，通電屬于外界幫助，而點燃、高溫、加熱、催化劑等不屬于外界幫助。甲烷的燃燒用此推理較好理解，但合成氨的反應在室溫和常壓下也是自發(fā)的。理解起來有些困難?？梢越栌弥袑W教材里的一句話：“過程的自發(fā)性只能用于判斷過程的方向，不能確定過程是否一定會發(fā)生和過程發(fā)生的速率”［4］。也就是說：合成氨的反應在室溫和常壓下的反應類似于氫氣和氧氣混合后但未點燃的情形，（反應速率很慢，但該反應是自發(fā)反應）在高溫、加熱、催化劑的條件下使得這個反應的速率加快，迅速發(fā)生。因此，合成氨的反應在室溫和常壓下也是自發(fā)的，高溫、加熱、催化劑等反應條件只是加速了它的反應，所以，這些條件不屬于外界幫助。

對反應CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）來講，這是一個吸熱反應，一旦停止高溫條件，反應也立即停止了，那此反應的高溫條件屬于外界幫助嗎？

此反應和合成氨的反應條件都涉及到了高溫，二者的不同在于合成氨反應是一個放熱反應，而碳酸鈣的分解是一個吸熱反應。碳酸鈣分解時，一旦停止高溫條件，反應也立即停止了。因此，在討論碳酸鈣的分解反應是否為自發(fā)反應時，必須強調(diào)條件。此時反應的高溫條件不屬于外界幫助，是反應的前提。即碳酸鈣的分解，高溫下是自發(fā)反應，常溫常壓下是非自發(fā)反應。一旦取消高溫條件，反應由自發(fā)反應轉為非自發(fā)反應。因為自發(fā)反應的前提就是一定條件下的反應，不談條件來討論碳酸鈣的分解是自發(fā)還是非自發(fā)過程是沒有意義的。

因此，對“外界幫助”的理解，是看在一定條件下，此外力取消，反應是否還能進行？

三、如何判斷一個反應是否為自發(fā)反應?

判斷反應是否為自發(fā)反應，其實就是對自由能△G＞0或＜0的判斷。自由能判據(jù)應是反應自發(fā)性的唯一標準。

但在中學化學的具體教學中，自由能判據(jù)是不做要求的，教師和學生如何把握一個化學反應是或不是自發(fā)反應呢？

大學教材里的一句話也許可以提供幫助：“經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)：所有放熱反應在298K和101.3kPa下是自發(fā)的”［2］，因此、合成氨的反應、天然氣的燃燒等放熱反應通常均為自發(fā)反應。而常見的吸熱反應，如教材中提到的氫氧化鋇晶體與氯化銨的反應在常溫常壓下是自發(fā)反應，碳酸鈣的分解，高溫下是自發(fā)反應。其它不常見的吸熱反應，如果要判斷，應給出相關信息。自發(fā)反應從課標要求來說應只是了解，不宜過多深入。如果有人死纏爛打，那只能是計算自由能△G來進行判斷了。

參考文獻

［1］吳星.中學化學疑難辨析［M］.南京：江蘇教育出版社，2012：51-53

［2］北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學.無機化學（上冊）（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1986：60-62

［3］吳新建，張賢金.《化學反應原理》模塊中若干熱力學問題探討［J］.化學教與學，2012，（3）：2-3

［4］宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書化學反應原理［M］.北京：人民教育出版社，2007：34-36

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.005

文章編號：1008-0546（2016）03-0012-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B