談一談自發(fā)反應(yīng)

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(yīng)

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

關(guān)鍵詞：自發(fā)反應(yīng)；一定條件；外界幫助

中學化學教材（人教版）選修四《化學反應(yīng)原理》第二章第四節(jié)的內(nèi)容是“化學反應(yīng)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(yīng)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(chǔ)上，談一談對這個問題的看法。

一、什么是自發(fā)反應(yīng)?

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(yīng)？

人教版的中學化學教材沒有對自發(fā)反應(yīng)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(yīng)定義為：“如果在給定的條件下，一個反應(yīng)可以自發(fā)地正向進行到顯著程度，稱為自發(fā)反應(yīng)”［1］；高中化學教材（江蘇教育出版社出版的《化學反應(yīng)原理》（選修））中將自發(fā)反應(yīng)定義為：“在一定條件下，不需外界幫助就能正常進行的反應(yīng)稱為自發(fā)反應(yīng)”。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(yīng)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?qū)嵺`上一個反應(yīng)能被利用來完成其它功，這反應(yīng)是自發(fā)的，如果必需由環(huán)境提供其它功去使反應(yīng)發(fā)生，這反應(yīng)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(yīng)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(yīng)是指，“在一定條件下，無需外界幫助就能正常進行的反應(yīng)”。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(yīng)該明確，此時的一定條件應(yīng)是反應(yīng)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(yīng)？在一定溫度和壓強下，不需外界幫助就能正常進行的反應(yīng)稱為自發(fā)反應(yīng)。

二、如何理解外界幫助?

甲烷燃燒反應(yīng)的條件是點燃，點燃是外界幫助嗎？合成氨反應(yīng)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(yīng)條件是高溫，高溫是外界幫助嗎？這些反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)嗎？

吳新建指出：“所謂外界幫助，是推動反應(yīng)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(yīng)體系的起始狀態(tài)的性質(zhì)，而外界幫助則改變了反應(yīng)自身行為，并未改變其狀態(tài)。反應(yīng)中的加溫，只是在不斷地改變反應(yīng)的條件，使反應(yīng)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(yīng)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(yīng)（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(yīng)自發(fā)進行的體系狀態(tài)的助力，并未改變反應(yīng)自身行為”［3］。

下面我們逐一來厘清：

在甲烷的燃燒反應(yīng)中，我們常標明的反應(yīng)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(yīng)是非自發(fā)反應(yīng)。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(yīng)過程中的熱量散失和提供動力學的速率啟動能，與反應(yīng)的方向無關(guān)。

參照吳星教授的說法，“在教學中，應(yīng)防止將自發(fā)反應(yīng)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(yīng)條件”相混淆。實際上化學方程式上注明的反應(yīng)條件，如點燃、高溫、加熱、催化劑等是指反應(yīng)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(yīng)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(yīng)速率很慢，但該反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)），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(yīng)的化學方程式寫成點燃條件下的反應(yīng)。又如合成氨反應(yīng)，我們都要在化學方程式上注明反應(yīng)條件為“高溫、高壓、催化劑”，但合成氨反應(yīng)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(yīng)需借助于外力的持續(xù)性，一旦外力停止，反應(yīng)仍還能進行下去，則應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)。如甲烷的燃燒，點燃后反應(yīng)還可自行進行下去。因此其應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，水的電解，一旦停止通電，反應(yīng)即停止，因此其為非自發(fā)反應(yīng)。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(yīng)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(yīng)在室溫和常壓下的反應(yīng)類似于氫氣和氧氣混合后但未點燃的情形，（反應(yīng)速率很慢，但該反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)）在高溫、加熱、催化劑的條件下使得這個反應(yīng)的速率加快，迅速發(fā)生。因此，合成氨的反應(yīng)在室溫和常壓下也是自發(fā)的，高溫、加熱、催化劑等反應(yīng)條件只是加速了它的反應(yīng)，所以，這些條件不屬于外界幫助。

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

此反應(yīng)和合成氨的反應(yīng)條件都涉及到了高溫，二者的不同在于合成氨反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，而碳酸鈣的分解是一個吸熱反應(yīng)。碳酸鈣分解時，一旦停止高溫條件，反應(yīng)也立即停止了。因此，在討論碳酸鈣的分解反應(yīng)是否為自發(fā)反應(yīng)時，必須強調(diào)條件。此時反應(yīng)的高溫條件不屬于外界幫助，是反應(yīng)的前提。即碳酸鈣的分解，高溫下是自發(fā)反應(yīng)，常溫常壓下是非自發(fā)反應(yīng)。一旦取消高溫條件，反應(yīng)由自發(fā)反應(yīng)轉(zhuǎn)為非自發(fā)反應(yīng)。因為自發(fā)反應(yīng)的前提就是一定條件下的反應(yīng)，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(yīng)是否還能進行？

三、如何判斷一個反應(yīng)是否為自發(fā)反應(yīng)?

判斷反應(yīng)是否為自發(fā)反應(yīng)，其實就是對自由能△G＞0或＜0的判斷。自由能判據(jù)應(yīng)是反應(yīng)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(yīng)是或不是自發(fā)反應(yīng)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(yīng)在298K和101.3kPa下是自發(fā)的”［2］，因此、合成氨的反應(yīng)、天然氣的燃燒等放熱反應(yīng)通常均為自發(fā)反應(yīng)。而常見的吸熱反應(yīng)，如教材中提到的氫氧化鋇晶體與氯化銨的反應(yīng)在常溫常壓下是自發(fā)反應(yīng)，碳酸鈣的分解，高溫下是自發(fā)反應(yīng)。其它不常見的吸熱反應(yīng)，如果要判斷，應(yīng)給出相關(guān)信息。自發(fā)反應(yīng)從課標要求來說應(yīng)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(yīng)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(yīng)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