從去年開始,A-Level化學的新教材中,加入了這一章節:entropy and Gibbs free energy,所以新加的東西肯定是必考的,本篇文章就將精煉的為大家講解本章的知識點考點。
在講吉布斯自由能之前,
我們需要知道另一個非常重要的概念:
entropy(熵)。
entropy is a measure of the randomness or disorder of a system./ a measure of dispersal of energy at a specific temperature in a system.
這裡的system指的通常就是化學反應本身。Entropy是有著名的熱力學第二定律引出的,該定律指出,孤立系統的混亂程度只會向增大的方向發展,也就是該系統entropy的變化只會是正的。這裡比較有意思的是,如果大家聯想到宇宙,他是正在擴散的,把他看成一個系統,他也符合了熱力學第二定律。不過呢,大家不需要知道熱力學第二定律,這裡只是幫助大家理解熵,他其實就是衡量一個系統混亂程度的量,就像質量衡量一個物質量的多少。比如:
在打開中間的氣閥之後(原諒我手拙畫畫難看),兩種氣體混到一起,系統的混亂程度就增加了,於是這整個系統的熵就增加了。
知道了什麼是熵,我們還要比較不同系統的熵,在這裡注意,討論單個粒子的熵是沒有意義的,因為熵是個宏觀量,是一群粒子在一起表現出來的特質。
standard molar entropy:the entropy of one mole of substance in its standard state
✪注意:所有的標準摩爾熵的值都是正的。
1. 物質的狀態(固體<液體<氣體)
2. 一般來說,越簡單的物質,包含越少的原子,熵就越小
3. 種類相似的物質,硬度越大,一般熵越小(比如金剛石和石墨,前者比較硬)
4. 給定一個物質,溫度越高,混亂程度就增加,熵就增加
✪大家會遇到比較物質(體系)熵的大小的題,以上四點可以包含絕大部分題目了。
顧名思義,就是熵的變化,在化學反應中的變化。大家可以通過上述的四點,來判斷一個化學反應熵的變化。比如:
這個反應可以看作一個體系,那麼這個體系在反應前,只有一個固體,而反應後,多了一個氣體,氣體的熵優勢比固體要大的,所以有一個熵的增加,即熵變為正。
再比如
反應前,只有兩分子的氣體,反應後有5分子的氣體,所以熵應該是變大,即熵變為正。
✪自發反應的條件包括:
1. continue to process without external conditions
2. once started, tends to continue to happen
3. involves an increase in total entropy
滿足這三個條件的,就叫做自發反應,而自發反應的特徵,就是熵變為正,there is an increase in entropy.
✪所以以上舉的兩個例子都是自發反應。
以上反應的熵是變大的,所以系統(整個反應)的混亂程度是變大的,而同時,反應又向能量穩定的方向發展,所以說,當一個系統更加趨於energetically stable的時候,混亂程度是變大的。
講到這裡,我們講了如何理解熵,熵的影響因素,如何比較熵,熵與自發反應的關係。
下篇文章將涉及熵的計算以及吉布斯自由能的引入。謝謝大家~
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