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(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向”教學(xué)中存在困惑，如何認(rèn)識(shí)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(gè)反應(yīng)是否為自發(fā)反應(yīng)？文章從這幾個(gè)問(wèn)題入手，為教師具體教學(xué)提供幫助。

關(guān)鍵詞：自發(fā)反應(yīng)；一定條件；外界幫助

中學(xué)化學(xué)教材（人教版）選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第四節(jié)的內(nèi)容是“化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(guò)近三輪的教學(xué)后，發(fā)現(xiàn)許多教師還是對(duì)這一節(jié)內(nèi)容中的化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性存在著很多的困惑。包括配套練習(xí)冊(cè)中也存在著錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)：如將天然氣的燃燒定為是一個(gè)非自發(fā)的過(guò)程。在對(duì)教材認(rèn)真鉆研和查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，談一談對(duì)這個(gè)問(wèn)題的看法。

一、什么是自發(fā)反應(yīng)?

在教學(xué)中，教師存在的第一個(gè)困惑就是：到底什么是自發(fā)反應(yīng)？

人教版的中學(xué)化學(xué)教材沒(méi)有對(duì)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(xué)化學(xué)疑難辨析》一書(shū)中指出，高校的無(wú)機(jī)化學(xué)教材中將自發(fā)反應(yīng)定義為：“如果在給定的條件下，一個(gè)反應(yīng)可以自發(fā)地正向進(jìn)行到顯著程度，稱(chēng)為自發(fā)反應(yīng)”［1］；高中化學(xué)教材（江蘇教育出版社出版的《化學(xué)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(jìn)行的反應(yīng)稱(chēng)為自發(fā)反應(yīng)”。北京師范大學(xué)等高等教育出版社出版的無(wú)機(jī)化學(xué)，對(duì)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(dòng)進(jìn)行的過(guò)程，稱(chēng)為自發(fā)過(guò)程，如室溫時(shí)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(guò)程”［2］。同時(shí)寫(xiě)有：“吉布斯證明：在恒溫恒壓下如果在理論上或?qū)嵺`上一個(gè)反應(yīng)能被利用來(lái)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(xué)教育研究所吳新建教授的《《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊中若干熱力學(xué)問(wèn)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(wú)需外界幫助就能正常進(jìn)行的反應(yīng)”。沿襲了蘇教版的說(shuō)法。但無(wú)論是吳星還是吳新建所著文章中都對(duì)此“一定條件”進(jìn)行了分析，都認(rèn)為此條件太模糊，應(yīng)該明確，此時(shí)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(qiáng)下，不需外界幫助就能正常進(jìn)行的反應(yīng)稱(chēng)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(diǎn)燃，點(diǎn)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(dòng)反應(yīng)進(jìn)行的非環(huán)境因素，比如通電等。條件改變將改變一個(gè)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(dāng)溫度達(dá)到某一點(diǎn)，即自發(fā)變化所需要的體系狀態(tài)要求時(shí)，對(duì)反應(yīng)而言此時(shí)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(guò)程）進(jìn)行下去。因此，改變溫度，僅僅是為創(chuàng)造一個(gè)適合反應(yīng)自發(fā)進(jìn)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(lái)厘清：

在甲烷的燃燒反應(yīng)中，我們常標(biāo)明的反應(yīng)條件是點(diǎn)燃。那是否意味著：沒(méi)有點(diǎn)燃的條件下，甲烷的燃燒反應(yīng)是非自發(fā)反應(yīng)。這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的。有文獻(xiàn)指出，點(diǎn)燃或加熱的作用是克服活化能Ea、補(bǔ)充反應(yīng)過(guò)程中的熱量散失和提供動(dòng)力學(xué)的速率啟動(dòng)能，與反應(yīng)的方向無(wú)關(guān)。

參照吳星教授的說(shuō)法，“在教學(xué)中，應(yīng)防止將自發(fā)反應(yīng)中所講的“一定條件”與我們書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式時(shí)所注明的“反應(yīng)條件”相混淆。實(shí)際上化學(xué)方程式上注明的反應(yīng)條件，如點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)”。如我們把氫氣和氧氣放在一起，并沒(méi)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(diǎn)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(xué)方程式寫(xiě)成點(diǎn)燃條件下的反應(yīng)。又如合成氨反應(yīng)，我們都要在化學(xué)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(jìn)行下去，則應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)。如甲烷的燃燒，點(diǎn)燃后反應(yīng)還可自行進(jìn)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(diǎn)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(lái)有些困難?？梢越栌弥袑W(xué)教材里的一句話：“過(guò)程的自發(fā)性只能用于判斷過(guò)程的方向，不能確定過(guò)程是否一定會(huì)發(fā)生和過(guò)程發(fā)生的速率”［4］。也就是說(shuō)：合成氨的反應(yīng)在室溫和常壓下的反應(yīng)類(lèi)似于氫氣和氧氣混合后但未點(diǎn)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(gè)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(duì)反應(yīng)CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）來(lái)講，這是一個(gè)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(gè)放熱反應(yīng)，而碳酸鈣的分解是一個(gè)吸熱反應(yīng)。碳酸鈣分解時(shí)，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(shí)，必須強(qiáng)調(diào)條件。此時(shí)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?yàn)樽园l(fā)反應(yīng)的前提就是一定條件下的反應(yīng)，不談條件來(lái)討論碳酸鈣的分解是自發(fā)還是非自發(fā)過(guò)程是沒(méi)有意義的。

因此，對(duì)“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(jìn)行？

三、如何判斷一個(gè)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(shí)就是對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。

但在中學(xué)化學(xué)的具體教學(xué)中，自由能判據(jù)是不做要求的，教師和學(xué)生如何把握一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是或不是自發(fā)反應(yīng)呢？

大學(xué)教材里的一句話也許可以提供幫助：“經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(biāo)要求來(lái)說(shuō)應(yīng)只是了解，不宜過(guò)多深入。如果有人死纏爛打，那只能是計(jì)算自由能△G來(lái)進(jìn)行判斷了。

參考文獻(xiàn)

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

［2］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（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(xué)反應(yīng)原理》模塊中若干熱力學(xué)問(wèn)題探討［J］.化學(xué)教與學(xué)，2012，（3）：2-3

［4］宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)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(hào)：1008-0546（2016）03-0012-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B