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1、第30卷第8期绍兴文理学院学报Vol.30No.82010年6月JOURNALOFSHAOXINGUNIVERSITYJun.2010物理化学中以吉布斯自由能为主线的自发性与平衡的教学李纯清陶菲菲(绍兴文理学院化学化工学院,浙江绍兴312000)摘要:文章讨论了在相平衡、化学平衡、电化学以及表面化学教学中,以吉布斯自由能为主线,分析过程自发性,研究平衡过程中各物理量的关系及平衡的计算.这种教学方法有助于引导学生把握事物的本质,应用理论分析和解决问题,并起到学以致用举一反
2、三的作用.关键词:吉布斯自由能;自发性;平衡中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1008-293X(2010)08-0009-030引言吉布斯自由能是物理化学中的一个重要的热力学函数.虽然它只是一个定义的函数,仅是若干热力学函数的数学组合,没有物理意义.但吉布斯自由能概念几乎贯穿在整个物理化学的学习过程中,教学中通过以吉布斯自由能为主线,加深对吉布斯自由能的定义、性质和判据的掌握,正确理解体系的吉布斯自由能变化的计算公式及其使用范围、条件,就能引导学生在掌握知识的同时,学会把握事物
3、内在的本质,应用理论分析和解决问题,起到学以致用举一反三的作用.1吉布斯自由能的定义与性质定义式为:G=H-TS,是状态函数,具有容量性质,其SI单位是焦耳(J).因为H、S和T均为系统的性质,与环境无关,故G适用于封闭系统.1-2由热力学第一定律、热力学第二定律可得出吉布斯自由能判据:在等温等压条件下,对一个封闭系统有:不可逆,自发(dG)T,pWf(1)可逆,平衡不可逆,自发(dG)T,p,W=00(2)f可逆,平衡在多组分体系中,由吉布斯自由能还引入了一个重要的概念-化学势(偏摩尔吉布斯自由能),定义G为:GB=B=nBT
4、,p,n(C!B)C在不同的体系中,体系G的变化可表达为:dG=-SdT+Vdp(组成不变,封闭系统,Wf=0)(3)dG=-SdT+Vdp+∀BdnB(组成可变的封闭系统,Wf=0)(4)BdG=-SdT+Vdp+!dAs+∀BdnB(组成可变的封闭系统,且考虑表面吉布斯自由能)(5)B收稿日期:2010-04-15作者简介:李纯清(1963-),女,湖南湘潭人,博士,副教授,主要从事物理化学及物理化学实验的教学与研究.10绍兴文理学院学报(自然科学)
5、第30卷基于以上认识,我们可在相平衡、化学平衡、可逆电池、表面化学等内容教学中,通过对体系吉布斯自由能变化式(1)~(5)的讨论,分析体系自发进行的方向,得到平衡的计算方法,分析平衡时体系相关物理量的关系.2吉布斯自由能与相平衡∀设系统有∀和#两相,在等温等压条件下,设相#中有极微量物质dnB转移到∀相中,则由式(4)可知自发∀∀##体系的吉布斯自由能的总变化有:dG=BdnB+BdnB0平衡∀∀而dnB=-dnB,由此推出,自发变化的方向是物质B从B较大的相流向较小的相,直到物质B在两相∀#的化学势相等,即B=B.∀#
6、!推广到多相体系的相平衡有,B=B=B=#,该结论在相律推导中得到应用.∀#对于单组份的两相平衡,则为该物质在两相中的摩尔吉布斯函数相等,Gm=Gm.而两相的吉布斯函∀∀∀###∀#数为:G=n,G=n,G和G并无等式关系.在讨论单组份系统两相平衡时的温度与压力关系时,则通过式(3)和等温等压下平衡时∃G=0的条#dp∃∀Hm件,得到Clapeyron方程:=#.dTT∃∀Vm3吉布斯自由能与化学平衡对有化学反应的系统,由式(2)讨论:dG=-SdT+Vdp+∀BdnB=-SdT+Vdp+∀BvBd%BBG自发在等温等压下,∃
7、rGm==∀VBB0(6)%T,pB平衡&fB对于气相反应,B(T,p)=B(T)+RTln&;(7)p*&在溶液中的反应,有B(T,p,xB)=B(T,p)+RTlnaB=B(T)+RTlnaB;(8)&&对复相反应体系,如果凝聚相均处于纯态,不形成固溶体或溶液,则B∃B(B是纯凝聚相在标准压力下的化学势).3将研究体系中参入反应物质同一状态下的B表达式代入式(6)中,得到化学反应的等温方程式:&V∃rGm=∃rGm+RTln%abB(9)B&反应达到平衡时,∃rGm=∃rGm+RTlnQa(平衡)=0,&&∃rGm
8、=-RTlnQa(平衡)=-RTlnKa&教学中通过比较∃rGm和∃rGm,使学生了解它们代表的不同的状态,数值与反应的方向以及平衡组成&&&&&的关系;了解∃rG
