化学的方向和吉布斯自由能变解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2024/11/15,第一节,化学反应的方向 和吉布斯自由能变,无机化学多媒体电子教案,第二章 化学反应的,方向、速率和限度,第一节,化学反应的方向,和吉布斯自由能变,2023/10/6第一节 化学反应的方向 和吉布斯自,2024/11/15,2-1-1,化学反应的自发过程,2-1-1,化学反应的自发过程,自发过程,例如,:,水总是自动地从高处向低处流，,铁在潮湿的空气中易生锈。,例如：欲使水从低处输送到高处，可借助,水泵作机械功来实现。,在一定条件下不需外界作功，一经引发就,能自动进行的过程，称为,自发过程。,要使非自发过程得以进行,外界必须作功。,注意,：,能自发进行的反应，并不意味着其,反应速率一定很大。,2023/10/62-1-1 化学反应的自发过程2-1-1,2024/11/15,2-1-2,影响化学反应方向的因素,2-1-2,影响化学反应方向的因素,化学反应的焓变,自发过程一般都朝着能量降低的方向进行,。,能量越低，体系的状态就越稳定。,对化学反应，很多放热反应在,298.15K,标,准态下是自发的。,例如,:,CH,4,(g)+2O,2,(g)CO,2,(g)+2H,2,O(l),r,H,m,=-890.36 kJmol,-1,2023/10/62-1-2 影响化学反应方向的因素2-1-,2024/11/15,曾试图以反应的焓变,(,r,H,m,),作为反应自发性的判据。,认为在等温等压条件下，当,r,H,m,0,时,:,化学反应不能自发进行,但实践表明,:,有些吸热过程,(,r,H,m,0),亦能自发进行,2.Ag,2,O(s),2Ag(s)+O,2,(g),12,r,H,m,=31.05 kJmol,-1,可见，把焓变作为反应自发性的判据是,不准确,、,不全面的,。,除了反应焓变以外,，,还有其它因素,(,体系混乱度的增加和温度等,),也是影响许多化学和物理过程自发进行的因素。,例如,1.,NH,4,Cl(s)NH,4,(aq)+Cl,-,(aq),r,H,m,=14.7 kJmol,-1,2023/10/6曾试图以反应的焓变(rHm)作为反应,2024/11/15,为什么有些吸热过程亦能自发进行呢,?,NH,4,Cl,晶体中,NH,4,和,Cl,-,的排列是整齐有序的,。,NH,4,C1,晶体进入水中后,，,形成水合离子,(,以,aq,表示,),并在水中扩散。在,NH,4,Cl,溶液中,，,无论是,NH,4,(aq),、,Cl,-,(aq),还是水,分子，它们的分布情况比,NH,4,C1,溶解前,要混乱得多。,+,+,例如,1.,NH,4,Cl(s)NH,4,(aq)+Cl,-,(aq),r,H,m,=14.7 kJmol,-1,2023/10/6为什么有些吸热过程亦能自发进行呢?NH4C,2024/11/15,为什么有些吸热过程亦能自发进行呢,?,2.Ag,2,O(s),2Ag(s)+O,2,(g),12,r,H,m,=31.05 kJmol,-1,再如,反应前后对比,不但物质的种类和,“,物质的量,”,增多,并产生了热运动自由度很大的气体,整个物质体系的,混乱程度,增大。,2023/10/6为什么有些吸热过程亦能自发进行呢?2.,2024/11/15,化学反应的熵变,熵的概念：,体系内组成物质粒子运动的混乱程度。,熵是描述物质混乱度大小的物理量。,物质,(,或体系,),混乱度越大,对应的熵值越大,符号：,S,单位,:J,K,-1,在,0K,时,一个纯物质的完美晶体,其组分粒子,(,原子,、,分子或离子,),都处于完全有序的排列状态,混乱度最小,熵值最小。,把任何纯物质的完美晶体在,0K,时的熵值规定为零,(,S,0,0),2023/10/6化学反应的熵变熵的概念：符号：S,2024/11/15,化学反应的熵变,熵的性质：,熵是状态函数,温度升高,体系或物质的熵值增大。,例如：我们将一种纯晶体物质从,0K,升到,任一温度,(,T,),，并测量此过程的熵,变量,(,S,),，则该纯物质在,T,K,时,的熵,(,S,T,),S,S,T,-,S,0,S,T,-0,S,T,2023/10/6化学反应的熵变熵的性质：温度升高,体系或,2024/11/15,标准摩尔熵,某单位物质的量的纯物质在标准态下的熵值称为标准摩尔熵。,单位：,Jmol,-1,K,-1,符号：,S,m,注意,：,(1),纯净单质在,298.15K,时,S,m,0,(2),物质的聚集状态不同其熵值不同,同种物质,S,m,(g),S,m,(1),S,m,(s),(3),物质的熵值随温度的升高而增大,(4),气态物质的熵值随压力的增大而减小,2023/10/6标准摩尔熵单位：Jmol-1K-1符号,2024/11/15,因为熵是一种状态函数,化学反应的标准摩尔反应熵变,(,r,S,m,),只取决于反应的始态和终态，而与变化的途径无关。,r,S,m,i,S,m,(,生成物,)+,i,S,m,(,反应物,),标准摩尔反应熵变,2023/10/6因为熵是一种状态函数化学反应的标准摩尔反应,2024/11/15,例,计算反应：,2SO,2,(g)+O,2,(g),2SO,3,(g),的,r,S,m,解：,2SO,2,(g)+O,2,(g),2SO,3,(g),S,m,/(Jmol,-1,K,-1,)248.22 205.138 256.76,r,S,m,2,S,m,(SO,3,)-2,S,m,(SO,2,)+,S,m,(O,2,),=,2(256.76)-2(248.22)+205.138,Jmol,-1,K,-1,=-188.06,Jmol,-1,K,-1,注意熵的,符号和单位,2023/10/6例计算反应：2SO2(g)+O2(g)2,2024/11/15,化学反应的吉布斯自由能变,热化学反应方向的判据,摩尔吉布斯自由能变量,(,简称自由能变,),，,以,r,G,m,表示，单位：,kJmol,-1,吉布斯公式,在等温、等压下,化学反应摩尔吉布斯自由能变,(,r,G,m,),与摩尔反应焓变,(,r,H,m,),、摩尔反应熵变,(,r,S,m,),、温度,(,T,),之间有如下关系,:,r,G,m,r,H,m,T,r,S,m,2023/10/6化学反应的吉布斯自由能变摩尔吉布斯自由能变,2024/11/15,化学反应的吉布斯自由能变,热化学反应方向的判据,在等温,、,等压的封闭体系内,不作非体积功,r,G,m,可作为热化学反应自发过程的判据。,即,:,r,G,m,0,非自发过程，,化学反应逆向进行,2023/10/6化学反应的吉布斯自由能变在等温、等压的封闭,2024/11/15,化学反应的吉布斯自由能变,热化学反应方向的判据,等温、等压的封闭体系内,不作非体积功的前提下,任何自发过程总是朝着吉布斯自由能,(,G,),减小的方向进行。,r,G,m,0,时,体系的,G,降低到最小值,反应达平衡。此即为著名的,最小自由,能原理,。,2023/10/6化学反应的吉布斯自由能变等温、等压的封闭体,2024/11/15,各种情况,符号,反应情况,r,H,m,r,S,m,r,G,m,1,-,+,-,任何温度下均为,自发反应,2,+,-,+,任何温度下均为,非自发反应,3,+,+,常温,(,+),高温,(-),常温下为非自发反应高温下为自发反应,4,-,-,常温,(-),高温,(+),常温下为自发反应高温下为非自发反应,“,高温”是指,当,T,时,r,H,m,r,S,m,r,G,m,r,H,m,-,T,r,S,m,2023/10/6各种情况符号反应情况rHmrSmr,2024/11/15,2-1-3,热化学反应方向的判断,2-1-3,热化学反应方向的判断,标准态时，吉布斯公式为：,r,G,m,r,H,m,-,T,r,S,m,等温、等压下,反应在标准态时自发进行的判据,r,G,m,0,在,298.15K,、,标准态下,分解不能自发进行。,2023/10/6例 试判断在298.15,2024/11/15,解：,CaCO,3,(s)CaO(s)+CO,2,(g),f,H,m,/(kJmol,-1,)-1206.92 -635.09 -393.509,S,m,/(,Jmol,-1,K,-1,)92.9 39.75 213.74,(2),解法,r,H,m,=,f,H,m,(CaO)+,f,H,m,(CO,2,)-,f,H,m,(CaCO,3,),=(-635.09)+(-393.509)-(-1206.92)kJmol,-1,=178.32 kJmol,-1,r,S,m,=,S,m,(CaO)+,S,m,(CO,2,)-,S,m,(CaCO,3,),=(39.75+213.74)-92.9 Jmol,-1,K,-1,=106.6,Jmol,-1,K,-1,r,G,m,(298.15K)=,r,H,m,(298.15K)-,T,r,S,m,(298.15K),r,G,m,=178.32-298.15106.6,10,-3,kJmol,-1,=130.4 kJmol,-1,0,在,298.15K,、,标准态下,分解不能自发进行。,2023/10/6解：CaCO3(s)CaO(s,2024/11/15,非标准摩尔吉布斯自由能变,(,r,G,m,),的计算和反应方向的判断,等温、等压及非标准态下,对任一反应：,c,C+,d,D,y,Y+,z,Z,r,G,m,=,r,G,m,+,RT,ln,J,J,反应商,对于气体反应：,p,(Y)/,p,y,p,(Z)/,p,z,J,=,p,(C)/,p,c,p,(D)/,p,d,水溶液中离子反应：,c,(Y)/,c,y,c,(Z)/,c,z,J,=,c,(C)/,c,c,c,(D)/,c,d,纯固态或液态处于标准态，式中不出现,2023/10/6非标准摩尔吉布斯自由能变(rGm)等温、,2024/11/15,例,MnO,2,(s)+4H,+,(aq)+2Cl,-,(aq),Mn,2+,(aq)+Cl,2,(g)+2H,2,O(l),r,G,m,=,r,G,m,+,RT,ln,J,c,(Mn,2+,)/,c,p,(Cl,2,)/,p,=,r,G,m,+,RT,ln,c,(H,+,)/,c,4,c,(Cl,-,)/,c,2,非标态时：,r,G,m,=,r,G,m,+,RT,ln,J,2023/10/6例MnO2(s)+4H+(aq)+,2024/11/15,例,计算,723K,、非标准态下，下列反,应的,r,G,m,，并判断反应自发进行的方向。,2SO,2,(g)+O,2,(g)2SO,3,(g),分压,/Pa 1.010,4,1.010,4,1.010,8,r,H,m,=2,f,H,m,(SO,3,)-2,f,H,m,(SO,2,)+,f,H,m,(O,2,),=2,(-395.72)-2,(-296.83)kJmol,-1,=-197.78 kJmol,-1,解：,2SO,2,(g)+O,2,(g)2SO,3,(g),S,m,/(Jmol,-1,K,-1,)248.22 205.138 256.76,r,H,m,/(kJmol,-1,)-296.83 0 -395.72,r,S,m,=2,S,m,(SO,3,)-2,S,m,(SO,2,)+,S,m,(O,2,),=2(256.76)-2(248.22)+205.138 Jmol,-1,K,-1,=-188.06 Jmol,-1,K,-1,2023/10/6例计算723K、非标准态下，下列反,2024/11/15,r,G,m,(723K)=,r,H,m,(723K),T,r,S,m,(723K),r,H,m,(298K),T,r,S,m,(298 K),r,G,m,(723K)=(-197.78,10,3,),723(-188.06)Jmol,-1,=-61813 Jmol,-1,r,G,m,=,r,