基于平面坐标系记忆化学反应自发性的判据规律

张云书

[摘   要]文章从问题的提出、平面坐标系的应用、学生的认知发展、例题解析四个方面，就如何基于平面坐标系记忆化学反应自发性的判据规律进行阐述，为提高抽象难懂的重难点知识的教学效率提供了方法借鉴。

[关键词]平面坐标系; 记忆;化学反应自发性;判据规律

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）17-0058-03

一、问题的提出

由自由能[ΔG=ΔH-TΔS]可知，恒温恒压下，一个化学反应的自发性可从两个方面进行判断：一是由[ΔG]的大小直接判断。若[ΔG>0]，反应不能自发进行;若[ΔG]<0，反应能自发进行。二是由[ΔH]、[ΔS]的数值进行判断[1]。当[ΔH<0]，[ΔS>0]时，反应能自发进行;当[ΔH>0]，[ΔS<0]时，反应不能自发进行;当[ΔH>0]，[ΔS>0]或[ΔH<0]，[ΔS<0]时，反应是否能自发进行与温度有关，一般低温时以焓變的影响为主，高温时，以熵变的影响为主，而温度影响的大小要视[ΔH]、[ΔS]的具体数值而定。用[ΔG]的大小作为判据，因规律简单，容易记忆。用[ΔH]、[ΔS]的数值作为判据，结合自由能[ΔG]的大小，也还能理解。若依据[ΔH]、[ΔS]的数值变化来判断，就要考虑温度的影响，这对学生而言，难度较大。

二、基于平面坐标系归纳化学反应的自发性

平面坐标系中，横坐标为[ΔH]的值：原点左边，[ΔH<0];原点右边，[ΔH>0];从左到右，[ΔH]的值逐渐增大。纵坐标为[ΔS]的值：原点下方，[ΔS<0];原点上方，[ΔS>0];从下到上，[ΔS]的值逐渐增大。结合坐标系的象限和反应自发性关系，将平面分为A区和B区，A区——反应自发进行区，B区——反应非自发进行区（如图1）。

依据[ΔH]、[ΔS]、[T]值的变化，又将A、B区分为A1、A2、A3，B1、B3、B4（下标1、2、3、4分别表示该区域位于坐标系中的第一、二、三、四象限）等6个区域。每个区域分别代表[ΔH]、[ΔS]、T的变化引起[ΔG]的变化的6种类型。（详见表1）

为使表格内容清晰、简洁，便于理解，表格中的“+”表示大于0，“-”表示小于0。其中，第一象限中的A1与B1的分界线偏向[ΔS]上方，暗指高温时，反应的自发性以熵变的影响为主;第三象限中的A3与B3的分界线偏向[ΔH]的左边，暗指低温时，反应的自发性以焓变的影响为主。

A区——反应自发进行区。包括第一、三象限的局部和第二象限：A1区，[ΔH]为“+”、[ΔS]为“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T为“高温”，可简记为“高、高、高温自发”。A2区，[ΔH]为“-”，即值小于0，暗喻“低”;[ΔS]为“+”，即值大于0，暗喻“高”;T为“低、高温”，即低温、高温均能自发，可简记为“低、高、低高温均自发”。A3区，[ΔH]为“-”，[ΔS]为“-”，即值均小于0，均暗喻“低”;T为“低温”，可简记为“低、低、低温自发”。

B区——反应非自发进行区。包括第一、三象限的局部和第四象限：B1区，[ΔH]为“+”，[ΔS]为“+”，即值均大于0，暗喻“高”;T为“低温”，可简记为“高、高、低温非自发”。B3区，[ΔH]为“-”，[ΔS]为“-”，即值均小于0，暗喻“低”;T为“高温”，简记为“低、低、高温非自发”。B4区，[ΔH]为“+”，即值大于0，暗喻“高”;[ΔS]为“-”，即值小于0，暗喻“低”;T为“低、高温”，即低温、高温均非自发，可简记为“高、低、低高温均非自发”。

为便于联想，按先相邻和后对称的顺序进行记忆。先相邻，就是先记相邻区域规律。如A1、A2、A3区域相邻，为反应自发进行区;B1、B3、B4为相邻区域，为反应非自发进行区。后对称，就是后记忆坐标系中对称位置区域的规律;A2与B4为第二、四象限，处于对称位置，无论是高温还是低温，A2均为反应自发进行区，B4均为反应非自发进行区;第一、三象限处于对称位置，既有自发反应也有非自发反应。其中，A1、A3为反应自发进行区，B1、B3为反应非自发进行区。

可将上述结论总结为几句顺口溜：（A区）高、高、高温自发，低、高、低高温均自发，低、低、低温自发;（B区）高、高、低温非自发，低、低、高温非自发，高、低、低高温均非自发。

三、符合学生的认知发展

1.有助于学生进行联想

一是[ΔH]、[ΔS]正、负值的联想。平面坐标系中，各象限以坐标原点为分界线，可据此联想横、纵坐标代表数值的大小。横坐标：坐标原点左边为负值，右边为正值;纵坐标：原点下方为负值，上方为正值。可见，基于平面坐标系，有助于学生记住[ΔH]、[ΔS]的正、负值所在位置。

二是自发性与非自发性类型的联想。坐标系中，将一个平面分为两个区，即A区和B区，且A区的3个小区域（A1、A2、A3）“相邻”，它们表示的是反应自发进行区;B区的3个小区域（B1、B3、B4）也“相邻”，它们表示的是反应非自发进行区，如此就让6种杂乱无章的情况变得有规律可循：只要是自发反应，必会在A区，即坐标系中的第一、二、三象限的“相邻”位置;只要是非自发反应，必会在B区，即坐标系中的第一、三、四象限的“相邻”位置。

三是“对称位置”对应规律的联想。按照“对称位置”进行分析，不难发现相互间具有一定的联系，因此更便于联想和记忆。第一象限的A1区，规律是“高、高、高温自发”，第三象限的A3区，规律是“低、低、低温自发”，“高”与“低”互为反义词，除表示[ΔH]、[ΔS]的“+”与“-”外，同时还暗含温度“高”与“低”的对称，且同在“自发”范畴。第二象限的A2区，对应的规律是“低、高温均自发”，第四象限的B4区，对应的规律是“低、高温均非自发”，“自发”与“非自发”对立统一。

四是反应自发性、[Δ]H、[Δ]S与温度之间的关系的联想。[ΔH>0]，[ΔS>0]，在第一象限，分界线偏向纵坐标上方，暗含温度高时，以熵变的影响为主;[ΔH<0]，[ΔS<0]，在第三象限，分界线偏向横坐标左边，暗含温度低时，以焓变的影响为主。

2.有助于培养学生的思维能力

一是训练学生的收敛思维。收敛思维[2]，又称聚合思维、求同思维、辐集思维或集中思维。在解决问题的过程中，利用好学生已有知识和经验，把众多信息和解题可能性引导到条理化的逻辑序列中，有助于得出合乎逻辑规范的结论。一个反应，是自发进行，还是非自发进行，与自由能的变化有关;是高温时自发进行，还是低温时自发进行，或是不能自发进行，与焓变、熵变有关;[ΔH]、[ΔS]的具体数值又会受温度的影响。将符号[ΔG]、[T]、[ΔH]、[ΔS]及其取值，乃至反应的自发性统一用一个坐标系来概括，使其系统化、条理化，这本身就是收敛思维的一种训练方式。

二是训练学生的发散思维。发散思维[3]，又称辐射思维、放射思维、扩散思维或求异思维，大脑在思维时呈现扩散状态的思维模式，表现了思维视野的广阔性，呈现出思维多维的发散状。学生看到平面坐标系中的横坐标、纵坐标，必会联想到其代表的[ΔH]、[ΔS]的数值、“正”“负”、温度T的变化规律等;看到平面内的A、B区域，必会联想到反应的自发性与非自发性，进而联想到各自对应的3种类型;由反应自发性、非自发性的顺口溜，由一个字、一个概念，由少到多，由简到繁，逐一发散，逐步展开，可发散出更多的知识内容。这是发散思维的一种训练方式。

3.符合学生的认知水平

对于平面坐标系，学生在初中就已学过。到了高二，学生对坐标系中的横、纵坐标的含义，从左到右、从下到上数值的变化规律，甚至第一、二、三、四象限的真实意义都比较熟悉。引入平面坐标系，帮助学生记忆化学反应进行方向的自发性判据则水到渠成，学生容易理解，乐于接受，积极主动地参与学习。加之，图像简单明了，使人印象深刻，有助于延长学生对知识的记忆时间。

四、例题解析

【例1】（2017·浙江，題干略有改动，下同）

已知：2Al2O3（s）=4Al（g）+3O2（g）    [Δ]H1=3351 kJ·mol-1

2C（s）+O2（g）=2CO（g）        [Δ]H2=-221 kJ·mol-1

2Al（g）+N2（g）=2AlN（s）     [Δ]H3=-318 kJ·mol-1

碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是      ;该反应自发进行的条件是。

解析：由盖斯定律，得碳热还原Al2O3合成AlN的总热化学方程式是Al2O3（s）+3C（s）+N2（g）=2AlN（s）+3CO（g）  [ΔH]=1026 kJ·mol-1。

关于反应自发进行的条件，第一步，讨论[ΔH]、[Δ]S的大小：该反应是一个吸热反应，[ΔH>0];是一个气体系数之和增大的反应，[ΔS>0]。第二步，判断所在象限：在上述平面坐标系中，[ΔH>0]，[ΔS>0]，位于第一象限。第三步，判断所在区域：因题干要求“自发”进行，故在A1区。由A1区的特征“高、高、高温自发”可知该反应自发进行的条件是高温。

【例2】判断下列说法是否正确。

（1）（2018·江苏）反应4Fe（s）+3O2（g）=2Fe2O3（s）常温下可自发进行，该反应为吸热反应。

（2）（2015·天津）钠与水反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行。

解析：（1）第一步，讨论[Δ]H、[Δ]S的大小：因反应属于缓慢氧化反应，为放热反应，[ΔH<0];同时也是一个气体系数之和减小的反应，[ΔS<0]。第二步，判断所在象限：[ΔH<0]，[ΔS<0]，位于坐标系中的第三象限。第三步，判断所在区域：因题干的要求是“自发”，因此位于A3区，由“低、低、低温自发”可知，常温（可视为“低温”）下反应可自发进行。但题干的叙述是“吸热反应”，与“放热反应”不吻合，说法错误。

（2）第一步，讨论[Δ]H、[Δ]S的大小：钠与水的反应2Na+2H2O=2NaOH+H2↑为放热反应，[ΔH<0];是一个气体系数之和增大的反应，[ΔS>0]。第二步，判断所在象限：[ΔH<0]、[ΔS>0]位于坐标系中的第二象限。第三步，判断所在区域。第二象限即A2区，由“低、高、低高温均自发”可知，低温、高温条件下反应均可自发进行，说法正确。

苏霍姆林斯基说过：“教师的课要上得有趣，要能激发学生的情趣，从而产生良好的学习情感。”用顺口溜或口诀归纳知识就是提高学生学习兴趣的一种方式。因此，在平面坐标系归纳规律的基础上，将结论浓缩为顺口溜，并给出具体的解题步骤，既能将抽象难懂的知识形象直观化，便于学生理解和应用，又能增强他们的学习自信心，更能激发他们的求知欲。

[   参   考   文   献   ]

[1]  宋心琦，何少华.普通高中课程标准实验教科书·化学（选修4）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（责任编辑 罗 艳）