师：同学们，本章开始时提到，要利用化学反应更好地为人类服务，需研究化学反应进行的方向、快慢及限度等问题。通过前面学习，后两个问题已初步解决，今天这节课，我们一起来讨论化学反应进行的方向。什么是化学反应进行的方向呢？自然界中有些物质满足一定条件就能发生化学反应，有些却很难。比如汽车尾气中的一氧化氮和一氧化碳危害环境，我们能否让一氧化氮中的氧转移给一氧化碳，使其反应生成危害较小的氮气和二氧化碳呢？这个反应对治理汽车污染意义重大。若能发生，我们就集中精力找适宜条件；若不能，就不必盲目探索，避免徒劳无功。判断这个反应能否朝着生成氮气和二氧化碳的方向发生，就是我们首先要解决的问题，这也是今天要研究的化学反应进行的方向。

　　也就是说，我们想探讨一个反应能否自发进行。什么叫自发呢？在一定条件下无需借助外力就能自动进行的过程，称之为自发过程。与之相对应，在给定条件下可以自发进行到显著程度的化学反应，我们称它为自发反应。大家都熟悉水总是自发地从高处往低处流，这是因为它总是自发地从高能状态变成低能状态。当然，我们也可用水泵将水从低处抽向高处，但这一过程不自发，需要外界帮助。这是自发与不自发的自然现象，我们熟悉的水往低处流。再看看一些熟悉的自发反应，如甲烷燃烧、铁生锈、氢气和氧气反应生成水。观察这些常见自发反应，它们有什么共同点呢？我们列出了它们的焓变，发现都是放热反应，即Δh小于0的反应。正如自然界中物体倾向于能量降低，化学反应过程中物质也趋向于从反应物总能量高的状态，变成生成物总能量低的状态。这样的反应叫放热反应，是Δh小于0的反应，也就是说，放热且Δh小于0的反应容易发生，这就是通常所说的焓判据，也称之为能量判据。自发过程的体系总是趋向于从高能状态转变为低能状态，简单说，就是Δh小于0的反应容易自发。

　　那是不是吸热反应，即Δh大于0的反应都不能自发进行呢？回顾前面反应热部分知识，有个熟悉的反应，氢氧化钡晶体和氯化铵混合。在烧杯中用玻璃棒搅拌使其充分混合，能明显闻到刺激性气味。触摸烧杯壁，会发现烧杯壁冰冷。若在烧杯底部垫一个滴了几滴水的玻璃片，反应一段时间后，会发现玻璃片和烧杯底部粘在一起，这是典型的吸热反应，但也是自发反应。这说明Δh小于0有利于反应自发进行，但自发反应不一定要Δh小于0。

　　这表明在判断一个反应是否自发的过程中，除了焓判据，肯定还有其他因素影响反应的自发与否。比如这个反应，反应物能量总和比生成物能量总和低，从能量角度不利于进行，但却发生了反应，就好像有一种神秘力量帮助低能量反应物转化成了高能量生成物。这究竟是什么力量呢？我们回到生活中。

　　大家都熟悉这两种现象。把一盒火柴从火柴盒中倒出来，大部分火柴会杂乱无章地散落在桌面上，这个过程是自发的；若想把火柴再有规则地放回去，就需要人工处理，这个过程明显不自发。同样，红墨水在水杯中会自发扩散，若想把它重新聚拢回去，没有特效很难完成，也就是说，墨水的扩散过程是自发的，反之则是非自发的。

　　分析这两个自发和非自发过程，会发现一个共同特点。以火柴为例，它自发地从有序变成了无序状态，也就是倾向于更为混乱，所以混乱度也是使过程或反应自发的因素之一。那么如何定量描述一个体系的混乱度呢？这就需要一个新的物理量。100多年前，德国科学家克劳修斯首次提出了熵的概念，我们引入熵判据。熵是用来度量体系混乱程度的物理量，用符号S表示，单位是焦耳每摩尔每K。体系的混乱度越大，熵值也就越大。那如何比较物质的熵呢？以熟悉的水为例，看水的三种不同状态，冰、液态水、水蒸气，给出不同状态水的熵值，通过数据能清晰看出，同一种物质不同状态下，熵值大小关系为气体大于液体大于固体。我们熟悉的固体溶解、气体扩散等过程，都是混乱度增加的过程，因此都是自发过程。

　　对于化学反应，又如何判断熵变呢？化学反应的熵变是用生成物的总熵减去反应物的总熵。中学里往往通过气体物质的量来判断，看几个例子。第一个反应，双氧水分解变成水和氧气，从溶液变成水和氧气，有气体产生，因此ΔS大于0。第二个例子，五氧化二氮分解变成二氧化氮和氧气，虽然反应物和生成物都是气体，但反应物是2摩尔气体，生成物是5摩尔气体，物质的量增加，ΔS大于0。第三个反应，一氧化碳气体分解变成碳和氧气，从气体物质的量角度判断，它的ΔS小于0。自然界存在熵增原理，在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大。对于化学反应来说，就有熵判据：体系趋向于由有序状态转变为无序状态，即混乱度增加，且ΔS越大越有利于反应自发进行。

　　我们通过两个反应体验一下什么叫熵增促进反应自发。第一个反应，钠和氯化钾反应生成钾和氯化钠。根据元素周期表知识，金属活动性强的金属能将金属活动性弱的金属从其盐溶液或熔溶液中置换出来，反之，钠置换出金属钾，从性质上看不利。但这个反应能自发进行，仔细观察会注意到钾的状态，此反应能发生是因为钾变成气体，引起反应的熵值增大。实验过程中，只要控制适当温度，使钾汽化并保持钠为液态，增大反应过程中的熵变，反应就能实现。

　　再看第二个反应，这是从沙滩到用户的关键反应。从性质上说，碳的非金属性强于硅，该反应能发生也与产生气体有关，导致熵值增大。反应过程中，探讨生成一氧化碳和生成二氧化碳有何区别。仔细观察发现，还原1摩尔硅，若生成二氧化碳，则产生1摩尔气体；若生成一氧化碳，能产生2摩尔气体，后者从数量上大大增强了拉动反应进行的力量，说明反应中生成一氧化碳对反应更具优势。

　　现在问个类似问题，在一定温度和压强下，化学反应一定不能向着熵减小的方向自发进行吗？答案是否定的。有个熟悉的反应，空杯生烟，两种无色气体氨气和氯化氢相遇产生白烟，生成氯化铵。这个反应从熵变来说明显减小。所以说，ΔS大于0有利于反应自发进行，但自发反应不一定要ΔS大于0。就以氯化铵的反应为例，氯化铵分解变成氨气和氯化氢，氨气和氯化氢又化合变成氯化铵。这两个反应若单独用焓判据或熵判据判断反应是否自发，结论会有矛盾。我们知道，高温下氯化铵受热分解，常温下氨气和氯化氢就能化合变成氯化铵固体。这表明单独用焓判据或单独用熵判据判断反应是否自发都不够准确，反应是否自发进行还和反应温度有关。看罗列的4种基本经典反应，分别对应Δh小于0、ΔS大于0的反应；Δh大于0、ΔS小于0的反应，这类反应一定不自发；Δh大于0、ΔS也大于0的反应；以及Δh和ΔS都小于0的反应，这类反应自发性不能确定。这说明焓变和熵变确实是影响化学反应能否自发进行的重要因素，且要兼顾温度。在具体反应中，它们是如何影响的呢？科学史上，科学家们研究也经历了曲折过程。