液態溴蒸發的沸點

化學原理啟迪245

1.     【例題】一大氣壓1atm下，液態溴變成氣體的反應程序，在多少溫度的時候會自發性地產生？

Br₂(l)→Br₂(g)

ΔH°＝31.0kJ/mol 並且ΔS°＝93.0Jk^－1mol^－1

液態溴Br₂的沸點是多少？

2.     【解題】如果自由能變化ΔG°是負數，液態溴的蒸發反應程序在任何溫度下，都是自發性的。

3.     特別留意ΔS°有利於蒸發的正反應程序進行，因為進行蒸發反應程序會增加位置亂度。（就像房間沒有整理一定愈來愈亂，自然界的物質亂度愈來愈大也是正常。）ΔH°有利於逆反應程序，逆反應是散熱。

4.     「液態溴」變成「溴氣體」，與「溴氣體」變成「液態」，這二個相反的反應方向會在溴Br₂的「沸點」達到平衡；在沸點，液態與氣態的Br₂處於平衡狀態（ΔG°＝0），所以我們設定沸點的標準「自由能變化」等於零ΔG°＝0，來尋找沸點的溫度。

5.     自由能公式：ΔG°＝ΔH°－TΔS°

在沸點ΔG°＝0，0＝ΔH°－TΔS°

ΔH°＝TΔS°

所以T＝ΔH°/ΔS°＝(3.10×10⁴J/mol)(93.0J K^－1mol^－1)＝333K

6.     溫度高於333K，TΔS°遠大於ΔH°，並且ΔG°（ΔH°－TΔS°）是負數；因此溫度超過333K「溴蒸發」程序是自發性的；低於333K進行的是逆反應程序，也就是「氣態溴」變成「液態溴」。溫度在333K，液態和氣態的Br₂同時並存達到平衡。這些現象摘要如下（每個反應的壓力都是1atm）

(1)  T＞333K。較高的溫度使物質的亂度變大，並且大到使液態Br₂自發性地蒸發，這時，亂度因素ΔS°主導反應的進行。

(2)  T＜333K。較低的溫度使物質容易散熱，使物質的焓容易改變，因此反應會自發性地朝向散熱方向進行時，例如氣體Br₂散熱變成液態Br2，這時物質的焓變化ΔH°主導反應。

(3)  T＝333K。「液態溴變成氣態溴」與「氣態溴變成液態溴」二個相反方向的反應驅動力達成平衡（ΔG°＝0），並且液態與氣態Br₂並存。這個溫度就是沸點。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

徐弘毅：

1.     「自由能」是約束物質分子，阻擋它們自由、獨立的力量。如果一個反應過程的自由能變化ΔG是負的，物質走向瓦解、分散，每個分子變得更獨立、自由。如果一個反應過程的自由能變化ΔG是正的，物質就會朝向分子更緊密結合的狀態演變。

2.     「自由能G」包含二部分，「焓H」與「亂度S」。「自由能變化ΔG」是「焓變化ΔH」與「亂度變化ΔS」相減的結果：ΔG＝ΔH－TΔS。

3.     「焓H」是組成物質的分子彼此的引力。「焓變化ΔH」是「正的＋」，代表反應之後分子彼此吸引的力量下降，物質逐漸走向分散的狀態；例如「液態溴」變成「氣態溴」的反應，ΔH焓變化是正的＋，「液態溴」反應過程吸收的熱能，增強分子的活動力量，破壞了分子間的引力，使每個溴分子變成獨立自由的氣體分子。

4.     「焓變化ΔH」是「負的－」，代表反應之後分子彼此吸引的力量增強，物質逐漸走向凝結、更緊密結合的狀態；例如「氣態溴」散熱變成「液態溴「的反應，焓變化ΔH是負的－，氣體溴分子釋放多餘的自由運動能量之後，進入比較冷靜的液態，溴分子彼此緊密地互相吸引。

5.     「亂度S」是驅使物質分子逐漸分散獨立的力量。亂度變化ΔS是正的＋，代表反應使物質分子分散的力量上升，分子逐漸走向分散、獨立、自由的狀態；亂度變化ΔS是負的－，代表反應使物質分子分散的力量減弱，物質逐漸走向分子彼此吸引、更靠近的狀態。

6.     分散物質分子的力量大小，跟溫度有很大的關係。如果溫度T很低，那麼縱使亂度變化ΔS是正的＋，分散物質的力量也很小，因為分散的力量是「溫度×亂度變化TΔS」；例如溫度小於333K的時候，分散溴分子的力量TΔS太小，遠不如溴分子互相靠近吸引的力量ΔH，所以「氣態溴」會自發性地變成「液態溴」。

7.     如果溫度T很高，正的亂度變化＋ΔS，乘上「溫度T」，得到的「分散力量TΔS」，會遠大於溴分子互相「靠近吸引的力量ΔH」。例如，溫度大於333K的時候，「液態溴」會自發性的變成「氣態溴」。

8.     反應到底會不會自發性產生？必須觀察 「焓變化ΔH」與「溫度×亂度變化TΔS」相減，得到的自由能變化ΔG的大小；如果得到負的ΔG，反應會自發性地進行；如果得到正的ΔG，反應不但不會自發性地朝正反應方向進行，還會倒過來朝逆反應的方向自發性進行。

9.     自由能英文是free enengy，實際翻譯上應該稱為「約束自由的能力」。一個國家什麼樣的力量在約束人民的自由呢？一、法律。二、獨裁者。三、好逸惡勞的生活習慣。四、知識程度。社會自由能減少或消除，百姓才能自由、獨立、好學、尊重人權。

10. 香港在英國殖民統治基礎下，法令比台灣完善健全，公務員清廉度較高，這方面的自由能ΔG是負的，人民享受比較多法治的保障與自由。例如，香港的廉政署官員隨時可監看公務員的財產，並要求財富異常增加的公職人員解釋來源，來源交代不清楚，就可以貪腐起訴。

11. 此外，香港的學術水準比台灣高，在知識方面的自由能ΔG是負的，人民享受比較多知識帶來的自由。根據倫敦《金融時報》的大學評鑑，香港科技大學的商學院亞洲最好，EMBA全球第一；根據英國高等教育調查機構QS公司的調查，香港科技大學排名第26，香港大學排名第41，學術水準遠高於台灣大學。

12. 但是香港回歸中國以後，被迫崇拜獨裁者，並且法令要配合獨裁者的慾望制訂（＋ΔH，所有個人的活動都必須配合獨裁者），因此人民的自由度下降，比較沒有人權與言論自由，社會熱烈討論、爭取人權的溫度T下降，社會追求獨立自主的力量變小（TΔS）。

13. 舉例來說，香港不能普選特首、香港被迫一定要跟中國簽經濟協定，造成製造業流失，貧富差距擴大，而人民沒有辦法用民主機制要求改善，自由能變化ΔG是正的。

14. 美國《商業周刊》引述聯合國的報告指出，香港在全球先進經濟體中，貧富差距最大；香港的吉尼係數高達0.434，香港貧窮人口，回歸後十數年間升逾50萬人。

15. 換言之，香港的權貴階級會習慣於踐踏中低收入戶的基本人權，時間更長就會變成一種民族性；這種社會的焓變化ΔH是正的，個人只能緊緊依附在權貴、大企業底下生存。

16. 此外，貧窮使得人民不可能受更好的教育、也不可能追求知識與獨立思考能力，這使得平民的亂度ΔS非常低，甚至是負的亂度ΔS－弱勢者變得有奴性、依賴性、喜歡巴結權貴，失去獨立自主的謀生能力與求生意志。

17. 權貴階級「以大欺小」太嚴重ΔH＞0，弱勢階級「奴性」太強ΔS＜0，造成限制人民自由發展的力量太大ΔG＞0，結果社會不但不會朝向理性的正反應方向發展，反而是自發性地朝逆反應方向演化，社會變得愈來愈拜金、腐敗、墮落、貪婪。

18. 香港的主要產業是金融、房地產、娛樂業，不是製造業、傳統產業。投機性的事業容易使人民養成好逸惡勞的生活習慣，會使香港的文化深度不夠，長期來看會失去國際競爭力，犯罪率也會升高，自由能變化ΔG＞0，社會無法自發性地演化成更理性的狀態。