解放军文职招聘考试自由能与化学反应进行的方向

 自由能与化学反应进行的方向 

1876 年美国科学家 Gibbs 证明在 等温等压下， 如果一个反应能 被用来作功， 则该反应是自发的，反之为非自发
一、自由能函数的定义
例： CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (l)
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu
2H 2 O (l) ? 2H 2 (g) - + O 2 - (g)
热力学第一定律： ΔU = Q + W
等温可逆条件下： ΔU = Q r + W max
Q r ： 可逆过程吸收或放出的热量；
W max : 最大功；
W max = - p ΔV + W max ,
Qr = T ΔS
ΔU = T ΔS - p ΔV + W max,
ΔU + p ΔV = T ΔS + W max,
ΔH = T ΔS + W max,
ΔH - T ΔS = W max
令 G o H - TS , 则 ΔG = W max
G ：定义的新函数，自由能函数， Free energy
  意义：
① 当 ΔG < 0 时， W max < 0 , 表明自由能被用来对环境作最大有用功，是自发过程。
② 当 ΔG > 0 时， W max > 0 ,
表明过程非自发，要使过程进行，必须由环境对体系做功。
问题： G 是否为状态函数？
自由能是 状态函数
二、吉布斯 - 赫姆霍兹方程
(Gibbs–HelmnoltzEquation) ：
ΔG = ΔH - TΔS
应用条件？
三、标准生成自由能
1. 在热力学标准态下，由处于 稳定状态的单质 生成 1mol 纯物质时，反应的自由能变化为该
物质的标准生成自由能。 用 表示
单位： kJ·mol -1
规定在 标准态下：
稳定单质的生成自由能 = 0 ；
2 ．水溶液中离子的生成自由能 (M n± ) ：
是以指定氢离子的无限稀溶液的 标准生成自由能为零； (H ⁺ , ∞ aq ) = 0 ；
四、化学反应中过程自由能变 的计算
aA + bB === cC + ΔΔ
过程自由能变 为：
= [ 298 ( 生成物 ) - 298 ( 反应物 )

、单位为 kJ × mol -1
五、热力学函数的变化
1. ΔG (T) = ΔH - TΔS ， ΔG 是体系焓变与体系 熵变所分别表示的能量差值。
体系与环境能量间的交换是以热焓及熵变二种形式进行的，因此推动过程变化的动力有焓因素和熵因素；
2. ΔG 在数值上表示了过程在等温等压条件下对外所做的最大有用功，即 ΔG = ΔW max 。
ΔG 为正值时， W max > 0 ， 是非自发过程
ΔG 为负值时， W max < 0 ， 是自发过程
ΔG 是 过程自发性的判据；
ΔG > 0 非自发过程， ΔG < 0 是自发过程
3. 化学反应通常是在等温、等压（敞开容器）进行的，可以利用 的正、负来判断反应在标准态的方向性。
六、反应自发性的判断
根据 ΔG 大小来判断：
ΔG < 0, 正向反应自发
ΔG ＝ 0, 处于平衡状态
ΔG > 0, 正向反应非自发，逆向反应自发

5-4 化学热力学的应用

一、几个热力学函数
1 ．热力学能 U
2 ．焓 H
3 ．熵 S
4 ．自由能 G
二、计算及应用
(1) 热力学第一定律
U = Q – W
注意： Q 、 W 的正负号
(2) 等容条件下的反应热： Q V = ΔU
(3) 等压条件下的反应热： Q P = ΔH
ΔH = ΔU + PΔV
Q P = Q V + PΔV
= Q V + ΔnRT
(4) 盖斯定律及其应用
(5) 过程自发性判据 ΔG 与
标准态下： 用 > 0 或 < 0
非标准态下： 用 Δ r G > 0 或 Δ r G < 0
(T) = - T ，
ΔG (T) = ΔH- TΔS