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2.4.1 化学反应方向判据在线视频

2.4.1 化学反应方向判据

下一节:第2.4节讨论 吉布斯自由能变的求算方法有哪些

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2.4.1 化学反应方向判据课程教案、知识点、字幕

同学你好

这一小节我们要讲的是化学反应的方向

在化学热力学的研究过程当中

我们经常要从理论上

去判断一个化学反应进行的方向

那么关于化学反应自发进行的方向

最早提出来的第一个判据是能量最低原理

它是19世纪70年代的时候

由法国的贝特罗和丹麦的汤姆斯所提出来的

那么他们认为什么呢

认为放热反应是可以自发进行的

也就是说针对一个化学反应来说

一个化学反应体系

它有趋于最低能量状态的这样一个趋势

那么确实我们可以找到

很多自发反应都是放热反应

比如说像氢离子和氢氧根离子化合生成水

那我们知道在水溶液当中

它是一个自发进行的方向

这个过程是放热的

还有像甲烷自燃

在一定的条件下

甲烷可以发生自燃

它也是一个放热反应

确实有很多能够自发进行的化学反应

都是一个放热的过程

但是我们能不能找到反例

比如说像碳酸钙分解

这个反应我们知道是一个吸热的反应

这个反应在常温下是不能够自发进行的

但是如果我把反应温度升高到1110K的时候

这就是一个自发反应

那么说明什么

说明我们单纯地用放热

或者说用ΔH<0

作为判断一个化学反应自发进行的方向

是有局限性的

人们又发现很多自发反应

都是使体系的混乱程度增加的

所以人们提出了一个新的热力学概念叫做熵

我们看看熵的定义

熵是表示体系内

组成物质粒子运动混乱程度的这样一个物理量

所以熵它也是表征体系状态的一个函数

我们用这个大写的S来表示

那么波尔兹曼提出来

S=klnΩ

那么k是什么

是波耳兹曼常数

1.38×10的-23次幂

那么这个Ω是什么叫做热力学概率

它对应的是体系某一个状态所对应的微观状态数

对于一个体系来说

它的Ω微观状态数越大

那么这个体系的混乱程度也是越大的

对应的熵值也是越大的

熵它也是体系的一个状态函数

它和体系的状态是一一对应的

所以状态一定熵值一定

那么作为体系的一个性质

它是具有加和性的

所以熵是一个容量性

熵和体系的状态是一一对应的

所以熵值的大小决定体系所对应的状态

比如说同一个物质

当它的聚集状态不同的时候

那么很显然气态物质的熵值

大于液态大于固态所对应的熵值

如果是在相同的物理状态下

但是不同的物质通常说来一些结构复杂的物质

它的熵值要大于结构简单的物质的熵值

混合物或者是溶液

它的熵值要大于纯的物质的熵值

相对来说软的物质的熵值

要大于硬的物质的熵值

对于一些分子结构相似的物质

它的熵值随着分子量的增大是逐渐增加的

你比如说碘化氢溴化氢和氯化氢

假如都在气态的话

那么一定是碘化氢的熵值是最大的

同样熵值和系统所对应的温度和压强也有关系

温度升高体系的熵值是增加的

压强增大熵值是减小的

那么熵的概念提出来以后

人们想也可以规定一个起始状态

然后把每个物质的熵值给它定义出来

那么当然熵值的绝对值是不可知的

我们只能确定它的相对值

人们怎么规定的呢

0K的时候任何纯净的完整的晶态物质

它都处于一个有序的状态

人们规定此时这个物质它的熵值为零

我们通常用S0=0来表示

那么这里面这个0代表的是什么

代表的是温度是0K

也就是说在0K的时候

这个纯净的完整的晶态物质它们的熵值为零

这个规律也叫做化学热力学的第三定律

那么对于0K下不纯的物质

那么它的S0不等于0

然后我们将这个纯净的完整的晶态物质

它的温度从0K升高到任意一个温度T

那么通常我们升高到室温条件

比如说25℃这个过程的熵变ΔS

就等于物质在T温度下的熵值减去S0

那么S0等于0也就等于ST

所以对于这个物质来说

它在T温度下的熵值对应的

是这个过程的熵变ΔS

ST我们定义为物质在温度T时候的规定熵

那么有了规定熵的数值以后

我们对它的物理状态又进一步的限定

比如说我们限定它在热力学标准态下

然后是1mol的纯物质

那么它在温度T时候的规定熵

我们把它叫做该物质的标准摩尔熵

我们符号就是用SM0表示

单位是焦摩尔-1K-1

所以我们能够查到的热力学函数是物质的

标准摩尔熵的数据

那么这里面提醒大家注意点

一些稳定的单质

它标准摩尔熵是不为零的

这一点我们要注意一下

比如石墨它的标准摩尔熵的数据是5.694Jmol-1K-1

我不知道大家是否还记得

对于石墨来说它的标准摩尔生成焓的数据是零

那么像这个氧气

它的标准摩尔生成熵的数据是这么多

那么同样它的标准摩尔生成焓的数据也是零

对于任意的一个化学反应

A加B生成C和D

它的标准摩尔熵变等于什么

这个我们式子比较长等于什么呢

等于产物的标准摩尔熵乘以相应的系数之和

减去反应物的标准摩尔熵乘以相应的系数之和

就是我们说Σμi

乘以各个物质的标准摩尔熵的数据

那么这个计算公式

和标准摩尔生成焓计算反应焓变的计算公式

是一样的

对于一个反应体系来说

当它的温度变化的时候

那么它的产物和生成物的标准

摩尔熵都会发生改变

那么一般来说这个产物的总和

这个标准摩尔熵的改变值和反应物的

标准摩尔熵的改变值相近

所以我们无机化学当中

在计算当中也做一个近似处理

认为这个反应在T温度下的标准摩尔熵变

近似的等于它在298K条件下的标准摩尔熵变

所以我们在无机化学里面

这个反应的标准焓变和标准熵变

我们都做了近似处理

近似的认为他们等于在298K条件下的

标准焓变和标准熵变

那么有了熵的定义以后

人们提出来了一个化学反应

进行方向的熵增加判据

这个判据是什么呢

在孤立系统内任何的一个变化

都不可能使熵的总值减少

什么意思也就是说对于一个孤立系统来说

如果它的ΔS大于零的时候

这个变化是一个自发过程

如果等于0它是一个可逆过程

或者说是平衡过程

如果小于零的话是一个非自发过程

那么也就是说对于孤立系统

我们可以用它的ΔS大于零还是小于零

作为判断这个过程能否自发进行的一个判据

那么按照我们刚才提出来的

孤立体系条件下熵判据

我们看一看对于一个化学变化过程当中

我们如何来判断这个反应进行的方向

对于一个孤立体系来说

我们知道对于一个化学变化来说

完全的孤立体系是不存在的

但是如果我们把体系和环境给它合在一起

看成我们的研究对象的话

那么这时候可以认为是一个孤立体系

所以这样的话

我们计算孤立系统的熵变时

应该等于体系的熵变加上环境的熵变

那么它要大于零

这个反应是可以自发进行的

环境的熵变它等于什么

等于按照化学热力学计算

等于环境的它的Q值除以它的温度

环境的Q值如果换成体系的Q值

或者是熵变的话

是等于负的体系的焓变除以温度T

我们把这个式子代到上面这个式子里面去

我们会得到什么孤立系统的ΔS

等于体系的ΔS

减去体系的焓变除以温度T

这样的话我们稍微做一下数学变换

我们把T给它乘上去

然后把这个焓变放在前面

我们就会得到下面这个式子

我们看一下

ΔH减去T乘ΔS小于等于0

这时候就会满足孤立系统

ΔS大于零的这个条件

也就是这个过程是可以自发进行的

那么按照这样一个结果的话

在1873年的时候

美国化学家吉布斯就提出了

一个新的热力学函数

它定义这个吉布斯函数

G等于什么等于含减去温度乘以三

那么关于吉布斯函数

我再给大家说明几点

那么这个吉布斯是函数等于H减去T乘S

所以这个级部深海数也是一个复合函数

那么这里面HTS都是状态函数

所以这个吉布斯函数G也是状态函数

吉布斯函数

它是一个容量性质

它是具有加和性的

这个G的绝对值同样是无法确定的

但是我们可以确定变化值

按照这个吉布斯函数的定义

对于一个恒温恒压下的一个化学反应

我们会得到什么

ΔG等于ΔH减去T乘ΔS

所以这个公式也是计算一个化学反应

吉布斯函数变的一个理论计算公式

按照这个定义

吉布斯就提出来了

判断一个化学反应自发进行方向的

一个理论判据

我们叫做最小自由能原理

我们看一下这个理论

对于任意的一个化学反应来说

如果它的吉布斯函数变ΔG小于零

这个反应正向是一个自发过程

或者说我们这个反应是向正向进行的

那么也就是说

要想让一个化学反应能够自发进行

那么我们只要想办法让它的ΔG小于零

它就可以实现的

如果ΔG等于0的话

这个反应是处于一个平衡状态

如果ΔG大于零的话

这个反应是不能够自发进行的

或者说正向是非自发

但是逆向是一个自发过程

那么这个最小自由能原理

应该说是

我们从理论上判断一个化学反应

自发进行方向的一个最最原始的一个判据

那么在后续的无机化学学习当中

我们学到的那些判据

都是在最小自由能原理的基础之上衍生出来的

那么按照ΔG和ΔH和ΔS的关系

ΔG它是大于零和小于零

就和ΔH焓变和ΔS是大于零小于零有关系的

那么三者的符号关系

我们看一下这个表

我们简单总结一下

那么如果这个焓变是小于零的

也就说是一个放热反应

这个ΔS是一个大于零的

也就是熵增加的反应

那么按照这个计算公式的话

一个小于零的减去温度乘以一个大于零的

所以ΔG永远是小于零的

这样的一个反应

在任何温度下都是一个自发的进行的

第二种情况是反过来的

这时候这个焓变是大于零的吸热

然后熵变是小于零的是一个熵减的反应

这样的话他俩减出来的话

这个反应得的G永远是大于零的

这样的反应

在任何温度下就都是一个非自发的过程

这是两个极端情况

那么下面第三种情况是焓变大于零

熵变也是大于零的

那么按照这个计算公式的话

我们会发现在低温下

这个反应的ΔG是大于零的

那么我们升高温度

当温度升高到一定条件

什么条件就是我画的这个条件

在这个条件下

这个ΔG可能是变成小于零的

那么也就是说在相对高的温度下是自发的

在低温下是一个非自发过程

第四种情况是ΔH是小于零的

ΔS小于零它和第三种情况相反

那么它在常温下是一个自发过程

那么温度升高的时候

它会由自发变成一个非自发的过程

根据焓变和熵变的符号

我们也可以判断出ΔG它是大于零小于零的

也可以判断出这个反应自发进行方向

那么有了吉布斯函数

人们也想从理论上去计算一个化学反应的标准

吉布斯函数变

所以人们又定义了

标准摩尔生成吉布斯函数的定义

我们看一下

一定温度

标准态下由最稳定的纯态单质

生成一摩尔某物质时候的吉布斯函数变

便称为该物质的标准

摩尔生成吉布斯函数

它的符号是ΔFGM0单位是千焦每摩尔

同样的话这些最稳定的纯态单质

他们的标准摩尔生成吉布斯函数也为零

那么这个定义

和我们前面讲过的标准摩尔生成焓的定义

是非常类似的

有了标准摩尔生成吉布斯函数的定义

我们可以计算一个化学反应的标准

吉布斯函数变

那么对于任意的一个化学反应

它的标准摩尔生成吉布斯函数变

等于什么等于Σμi乘以每个物质的

标准摩尔生成吉布斯函数

那么也就是

我们可以用产物的

标准摩尔生成吉布斯函数

乘以相应的系数之和减去反应物的

标准摩尔生成吉布斯函数乘以相应的系数之和

有了这个公式

我们可以利用标准摩尔生成吉布斯函数的数值

来计算一个化学反应的

标准吉布斯函数变

那么这里面我们要注意一个问题

虽然我们近似的认为

一个化学反应的焓变和熵变

是不随着温度的改变而改变的

但是一个化学反应的吉布斯函数变

它和温度是有关系的

那么我们可以看到定义

它是等于焓变减去温度乘以熵变

所以吉布斯函数变它和温度是有关系的

那么在计算的时候

我们要注意

目前我们查表能够查到的物质的

标准摩尔生成吉布斯函数的数据是

298K的数据

298K的数据

所以我们利用这个关系能够计算的是

298K条件下的吉布斯函数变

如果要在非298K条件下

计算一个化学反应的吉布斯函数变

那么我们只能根据下面这个

函变减去温度乘以熵变的公式来进行计算

以上就是这一小节的知识点

无机化学课程列表:

第1章 物质的聚集状态

-1.1 物质的聚集状态和分压定律

--1.1.1 物质的聚集状态和分压定律

--第1.1节讨论 应用理想气体状态方程的时候应注意哪些问题

--第1.1节测试 物质的聚集状态和分压定律

-1.2 稀溶液的依数性

--1.2.1 稀溶液的依数性(1)

--1.2.2 稀溶液的依数性(2)

--第1.2节讨论 为什么讨论稀溶液的依数性时将溶质限定为难挥发非电解质

--第1.2节测试 稀溶液的依数性

-第1章测试 物质的聚集状态

-第1章课件 物质的聚集状态

第2章 化学热力学基础

-2.1 化学热力学基本概念

--2.1.1 化学热力学基本概念

--第2.1节测试 化学热力学基本概念

-2.2 化学反应热效应

--2.2.1 化学反应热效应

--第2.2节测试 化学反应的热效应

-2.3 化学反应热效应计算

--2.3.1 化学反应热效应计算

--第2.3节讨论 为什么温度对焓变和熵变影响很小

--第2.3节测试 化学反应热效应计算

-2.4 化学反应方向判据

--2.4.1 化学反应方向判据

--第2.4节讨论 吉布斯自由能变的求算方法有哪些

--第2.4节测试 化学反应方向判据

-第2章测试 化学热力学基础

-第2章课件 化学热力学基础

第3章 化学反应速率与化学反应平衡

-3.1 影响化学反应速率的因素

--3.1.1 影响化学反应速率的因素

--第3.1节测试 影响化学反应速率的因素

-3.2 化学反应速率理论

--3.2.1 化学反应速率理论

--第3.2节讨论 有人说根据反应方程式可以直接写出速率方程,这种说法对吗?

--第3.2节测试 化学反应速率理论

-3.3 化学平衡理论

--3.3.1 化学平衡理论

--第3.3节测试 化学平衡理论

-3.4 化学平衡移动

--3.4.1 化学平衡移动

--第3.4节讨论 标准平衡常数与经验平衡常数的区别

--第3.4节测试 化学平衡移动

-第3章测试 化学反应速率与化学反应平衡

-第3章课件 化学反应速率与化学反应平衡

第4章 酸碱平衡

-4.1 酸碱理论

--4.1.1 酸碱理论

--第4.1节讨论 阿雷尼乌斯电离理论、酸碱质子理论和酸碱电子理论各有什么优缺点?

--第4.1节测试 酸碱理论

-4.2 水的电离平衡

--4.2.1 水的电离平衡

--第4.2节测试 水的电离平衡

-4.3 弱酸弱碱平衡

--4.3.1 弱酸弱碱平衡

--第4.3节测试 弱酸弱碱平衡

-4.4 盐水解平衡

--4.4.1 盐水解平衡

--第4.4节测试 盐水解平衡

-4.5 缓冲体系

--4.5.1 缓冲体系

--第4.5节讨论 人体血浆中有哪些缓冲系统,最重要的是哪一个?

--第4.5节测试 缓冲体系

-第4章测试 酸碱平衡

-第4章课件 酸碱平衡

第5章 沉淀-溶解平衡

-5.1 溶度积常数

--5.1.1 溶度积常数

--第5.1节测试 溶度积常数

-5.2 溶度积常数与溶解度换算关系

--5.2.1 溶度积常数与溶解度换算关系

--第5.2节测试 溶度积常数与溶解度换算关系

-5.3 溶度积规则

--5.3.1 溶度积规则

--第5.3节讨论 溶度积规则用途是什么?怎么理解?

--第5.3节测试 溶度积规则

-5.4 影响沉淀生成因素

--5.4.1 影响沉淀生成因素

--第5.4节测试 影响沉淀生成因素

-5.5 分步沉淀

--5.5.1 分步沉淀

--第5.5节测试 分步沉淀

-5.6 沉淀溶解

--5.6.1 沉淀溶解

--第5.6节测试 沉淀溶解

-5.7 沉淀转化

--5.7.1 沉淀转化

--第5.7节测试 沉淀转化

-第5章讨论 人体中有沉淀溶解平衡吗?举例说明

-第5章测试 沉淀-溶解平衡

-第5章课件 沉淀-溶解平衡

第6章 氧化还原平衡

-6.1 原电池

--6.1.1 原电池

--第6.1节测试 原电池

-6.2 电极电势

--6.2.1 电极电势

--第6.2节测试 标准电极电势

-6.3 Nernst方程

--6.3.1 Nernst方程

--第6.3节讨论 电池反应和电极反应的能斯特方程有什么异同点?

--第6.3节测试 电极电势Nernst方程

-6.4 电极电势的应用

--6.4.1 电极电势的应用(1)

--6.4.2 电极电势的应用(2)

--第6.4节讨论 怎么解释单质银不能从盐酸溶液中置换出氢气,但可从氢碘酸中置换出氢气

--第6.4节测试 电极电势应用

-6.5 元素电势图及其应用

--6.5.1 元素电势图及其应用

--第6.5节测试 元素电势图及其应用

-第6章测试 氧化还原平衡

-第6章课件 氧化还原平衡

第7章 原子结构与元素周期律

-7.1 玻尔氢原子模型

--7.1.1 玻尔氢原子模型

--第7.1节测试 玻尔氢原子模型

-7.2 波粒二象性

--7.2.1 波粒二象性

--第7.2节测试 波粒二象性

-7.3 薛定谔方程

--7.3.1 薛定谔方程

--第7.3节测试 薛定谔方程

-7.4 四个量子数

--7.4.1 四个量子数

--第7.4节测试 四个量子数

-7.5 波函数角度分布图

--7.5.1 波函数角度分布图

--第7.5节讨论 波函数角度分布图上的正、负号有什么含义

--第7.5节测试 波函数角度分布图

-7.6 多电子原子结构

--7.6.1 多电子原子结构

--第7.6节测试 多电子原子结构

-7.7 元素性质的周期性变化

--7.7.1 元素性质的周期性变化

--第7.7节讨论 说说电离能和电子亲合能的变化趋势,其中有哪些特例

--第7.7节测试 元素性质的周期性变化

-第7章测试 原子结构与元素周期律

-第7章课件 原子结构与元素周期律

第8章 分子结构

-8.1 现代价键理论

--8.1.1 现代价键理论

--第8.1节测试 现代价键理论

-8.2 杂化轨道理论

--8.2.1 杂化轨道理论

--第8.2节讨论 sp、sp2、sp3杂化轨道的成键能力的大小次序?

--第8.2节测试 杂化轨道理论

-8.3 价层电子对互斥理论

--8.3.1 价层电子对互斥理论

--第8.3节测试 价层电子对互斥理论

-8.4 分子轨道理论

--8.4.1 分子轨道理论

--第8.4节测试 分子轨道理论

-第8章讨论 为什么说杂化轨道理论和价层电子对互斥理论存在互补关系

-第8章测试 分子结构

-第8章课件 分子结构

第9章 晶体结构

-9.1 晶体结构

--9.1.1 晶体结构

--第9.1节测试 晶体结构

-9.2 金属键理论与金属晶体

--9.2.1 金属键理论与金属晶体

--第9.2节测试 金属键与金属晶体

-9.3 离子键与离子晶体

--9.3.1 离子键与离子晶体

--第9.3节测试 离子键与离子晶体

-9.4 离子极化理论

--9.4.1 离子极化理论

--第9.4节讨论 离子极化对无机化合物的颜色产生什么影响

--第9.4节测试 离子极化理论

-9.5 分子间力与分子晶体

--9.5.1 分子间力与分子晶体

--第9.5节测试 分子间力与分子晶体

-9.6 氢键

--9.6.1 氢键理论

--第9.6节讨论 氢键的存在对水的性质有哪些影响

--第9.6节测试 氢键

-第9章测试 晶体结构

-第9章课件 晶体结构

第10章 配位化学基础

-10.1 配位化合物组成及命名

--10.1.1 配位化合物组成及命名

--第10.1节讨论 为什么螯合物会更稳定

--第10.1节测试 配位化合物组成和命名

-10.2 配合物解离平衡

--10.2.1 配合物解离平衡

--第10.2节测试 配合物解离平衡

-10.3 配合物解离平衡的移动

--10.3.1 配合物解离平衡的移动

--第10.3节测试 配合物解离平衡移动

-10.4 配合物的化学键理论-杂化轨道理论

--10.4.1 配合物的化学键理论(1)

--10.4.2 配合物的化学键理论(2)

--第10.4节测试 配合物的化学键理论-杂化轨道理论

-10.5 配合物的晶体场理论

--10.5.1 晶体场理论(1)

--10.5.2 晶体场理论(2)

--10.5.3 晶体场理论(3)

--第10.5节测试 配合物的晶体场理论

-第10章讨论 为什么大多数金属水合离子有颜色,但是锌离子、银离子无色

-第10章测试 配位化学基础

-第10章课件 配位化学基础

第11章 氢和稀有气体

-第11章课件 氢和稀有气体

-第11章测试 氢和稀有气体

第12章 碱金属和碱土金属

-第12章课件 碱金属和碱土金属

-第12章测试 碱金属和碱土金属

第13章 硼族、碳族和氮族元素

-第13章课件 硼族、碳族和氮族元素

-第13章测试 硼族、碳族和氮族元素

第14章 氧族元素和卤素

-第14章课件 氧族元素和卤素

-第14章测试 氧族元素和卤素

第15章 过渡元素

-第15章课件 过渡元素

-第15章测试 过渡元素

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2.4.1 化学反应方向判据笔记与讨论

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