吉布斯自由能和化学平衡.doc

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1、第五章吉布斯自由能和化学平衡5.1化学反应的方向性自然界发生的一切过程都必须遵循热力学第一定律，保持能量守恒。但在不违背热力学第一定律的前提下，过程是否发生，若能发生的话，将又会进行到什么程度，热力学第一定律却不能回答。本章从系统能量变化的角度讨论化学反应的方向性。5.1.1自发过程在一定条件下不需要外界对系统作功就能自动进行的过程或反应称为自发过程或自发反应。相反，它们的逆过程或逆反应是非自发的。1.自发过程的特点2.化学反应的自发性焓变不能作为化学反应自发性的判据。5.1.2熵热力学中将度量系统内

2、部质点混乱程度的物理量定义为熵，用符号S表示,SI单位为J·mol-1·K-1，系统的混乱程度越大则熵值越大，系统由有序到混乱时熵值就会增加。同一物质，气态时的熵大于液态时的熵，而液态时的熵大于固态时的熵，即S（g）>S(l)>S(s)。在相同聚集状态时，同一物质的熵值随温度的升高而增大。对于气体物质，压力降低时，气体分子在更大的空间内运动，混乱度增加，熵值增大。同类物质中，聚集状态相同时，摩尔质量大的熵值大，分子结构复杂的熵值大。系统的状态一定，其内部混乱度大小也就一定，就有一个确定的熵值。因此，熵

3、也是状态函数，具有加合性，其改变值只决定于系统的始态和终态。热力学第三定律指出：任何纯净物质的完美晶体在0K时，其熵值为零。根据热力学第三定律，物质由0K到温度TK时的熵变ΔS=S（T）–S（0K）=S（T），可见状态函数熵与热力学能和焓不同，物质的熵的绝对值是可求的。在标准状态下，1mol纯物质的熵值称为该物质的标准摩尔熵（简称标准熵），用符号（TK）表示，其SI单位为J·mol-1·K-1。附录二中列出了若干物质在298.15K时的标准熵。热力学规定，处于标准状态的水合氢离子的标准熵为零。通常选温

4、度为298.15K，即(H+,aq,298.15K)=0。根据实验和计算，可以求得其它水合离子的标准熵（298.15K）。部分水合离子的标准熵数据(298.15K)列于附录二中。任意反应aA+bB=dD+eE在标准状态298.15K下：=[d(D)+e(E)]—[a(A)+b(B)]例5-1已知标准状态和298.15K时，CaCO3分解生成CaO和CO2反应的=178kJ·mol-1，求(298.15K)。解：CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)/(J·mol-1·K-1)92.939.721

5、3.6={(CaO,s)+(CO2,g)}–(CaCO3,s)=39.7J·mol-1·K-1+213.6J·mol-1·K-1–92.9J·mol-1·K-1=160.4J·mol-1·K-1只有综合焓和熵这两个状态函数，并结合温度的影响，才能对反应的自发性做出正确的判断。5.1.3吉布斯自由能1.吉布斯自由能及自发过程的判据依据反应自发性与焓、熵及温度间的关系，物理化学家吉布斯（GibbsJW）提出了一个新的状态函数G，它具有广度性质，称为吉布斯自由能，其定义为：G=H–TS（5-1）在等温过程中

6、，吉布斯自由能变为：ΔG=ΔH–TΔS（5-2）式（3-15）称为吉布斯–亥姆霍兹（Gibbs-HelmholTz）方程。将此式应用于化学反应，得到：=–T（5-3）若反应在标准状态下进行，则：=–T（5-4）和分别称为化学反应的摩尔吉布斯自由能（变）和标准摩尔吉布斯自由能（变），两者的值均与反应式的写法有关，SI单位为J·mol-1或kJ·mol-1。在等温定压且系统不做非体积功条件下发生的过程，若：ΔG<0发生的过程能自发进行；ΔG=0系统处于平衡状态；ΔG>0过程不能自发进行。化学反应大部分在等

7、温定压且系统不做非体积功的条件下进行，则：ΔrGm<0化学反应过程自发进行；ΔrGm=0化学反应系统处于平衡状态，过程宏观停止，达到化学反应的限度；ΔrGm>0化学反应过程不可能自发进行，其逆过程自发。若反应在标准态下进行，此时用代替ΔrGm。式（5-3）、（5-4）表明，等温定压下化学反应方向和限度的判据–摩尔吉布斯自由能变ΔrGm是由两项因素构成的，一项是摩尔焓变ΔrHm，一项是与摩尔熵变有关的TΔrSm。摩尔焓变和摩尔熵变对化学反应的方向和限度都有影响，只是在不同条件下产生的影响大小不同而已。综

8、合分析将有下列四种情况（表5-1）。表3-1等温定压下反应自发性的几种类型类型ΔrHmΔrSmΔrGm=ΔrHm–TΔrSm反应的自发性例子1–+–任何温度下反应均自发2H2O2(g)=2H2O(g)+O2(g)2+–+任何温度下反应均非自发2CO(g)=2C(s)+O2(g)3––低温为–低温时反应为自发，HCl(g)+NH3(g)=NH4Cl(s)高温为+高温时反应为非自发4++低温为+高温为–低温时反应为非自发，高温时反应为自发CaCO3(s)=C