化學原理啟迪258
1. 【例題】鐵氧化鏽蝕反應
4Fe(s)＋3O2(g)←→2Fe2O3(s)
利用以下的數據，計算這個反應在25℃溫度下的平衡常數
物質 | ΔH°f (kJ/mol) | S°(J K－1mol－1) |
Fe2O3(s) | －826 | 90 |
Fe(s) | 0 | 27 |
O2(g) | 0 | 205 |
2. 【解題】為了計算這個反應的平衡常數K，我們將利用這個方程式
ΔG°＝－RTln(K)
3. 我們必須從以下的公式計算ΔG°
ΔG°＝ΔH°－TΔS°
ΔH°＝2ΔH°f[Fe2O3(s)] －3ΔH°f[O2(g)] －4ΔH°f[Fe(s)]
＝2mol(－826kJ/mol) －0－0
＝－1652kJ
＝－1.652×106J
ΔS°＝2 S°Fe2O3－3S°O2 －4 S°Fe
＝2mol(90Jk－1mol－1) －3mol(205J K－1mol－1) －4mol(27 J K－1mol－1)
＝－543J/K
T＝273＋25＝298K
4. 所以
ΔG°＝ΔH°－TΔS°
＝(－1.652×106J)－(298K)(－543J/k)
＝－1.490×106 J
5. 利用公式找出平衡常數K
ΔG°＝－RTln(K)
＝－1.490×106 J
＝－(8.3145Jk－1mol－1)(298k)ln(K)
因此
ln(K)＝(1.490×106)÷(2.48×103)＝601
並且 K＝e601
底數換成10， K＝10261
6. 這是一個非常大的平衡常數，從熱力學角度來看，鐵生鏽是非常容易進行的反應方向。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
徐弘毅：
1. 什麼是自由能變化ΔG？自由能變化是指，某個物質系統反應進行前後的能量改變差距；反應系統改變的能量種類包括「熱含量H」與「亂度S」，亂度大小深受「溫度T」的影響：ΔG＝ΔH－TΔS。
2. 什麼是「標準狀態下的自由能變化ΔG°」？標準自由能變化ΔG°是指物質系統進行反應時的環境條件是1atm和25℃，這是科學家比較一切化學反應的能量改變的基礎標準。
3. 為什麼1atm和25℃會成為比較能量的標準？可能是因為最早發展科學的主要國家都處於溫帶，實驗是的溫度大約是25℃，地球上所有平地的氣壓都是1atm。所以，與能量有關的常數幾乎都是建立在與標準狀態1atm和25℃的比較基礎上。
4. 什麼是RTln(K)？K是反應達到平衡時的平衡常數，它是產物與反應物濃度或壓力相比較的結果；ln(K)是反應物質的粒子達到平衡需要移動的次數，代表物質粒子的動能；T是反應進行的溫度，代表物質的熱能；R是氣體常數，氣體常數是把各種能量都轉換成的熱能單位「J焦耳」的換算比例。
5. RTln(K)指反應達到平衡過程所需的能量；計算出來的能量值是與標準狀態相比的結果。
6. 什麼是ΔG＝ΔG°＋RTln(K)？特定條件下某個反應系統的「自由能變化ΔG」，等於這個反應系統在「標準狀態下的自由能變化ΔG°」，加上達到反應平衡「過程所需的能量RTln(K)」。特定條件是指標準狀態以外的其他溫度與壓力。
7. ΔG＝ΔG°＋RTln(K) 這個定義的概念，用一個標準值ΔG°，加上特定反應條件與標準之間的落差值RTln(K)，綜合起來得到的結果。
8. 特別留意，氣體常數R是建立在標準狀態的基礎上，所以RTln(K)得到的是反應在「特定溫度」到「標準溫度」之間的能量差距，我們可以從公式看到這一點：ΔG－ΔG°＝RTln(K)。
9. 我們對反應達到平衡的定義是，系統內物質的活動都不會造成自由能改變，所以自由能變化等於0，ΔG＝0。
10. 特定反應條件下的「鐵與氧」系統達到平衡之後，自由能就不會再變化（ΔG＝0），此時，這些物質在標準狀態下的「自由能變化ΔG°」，剛好可抵銷反應在特定條件下達到平衡所需的「熱能RTln(K)」。
ΔG＝ΔG°＋RTln(K), 因為ΔG＝0，ΔG°＋RTln(K)＝0
11. 因此特定條件下反應達到平衡後，物質的「標準自由能變化ΔG°」等於特定反應條件下「達到平衡所需的熱能RTln(K)」。
ΔG°＝－RTln(K)
12. 我們就是利用反應達成平衡時，「標準自由能ΔG°」與「平衡常數K」的關係，找到反應的平衡常數K。結果鐵與氧反應的平衡常數非常大，代表鐵在25℃與1atm下非常容易生鏽。
13. 科學家用同樣的物質進行反應，比較25℃、30℃、70℃……等等不同溫度，反應前後能量變化有什麼相通性、相似性、相異性或相對性，這四個性質都考慮整合起來就成為公式。
14. 為什麼要同時考慮相通性、相似性、相異性或相對性這四個性質？我們要比較清楚不同反應彼此有什麼關係？有沒有可替代性？會不會相互衝突？各自有什麼獨特性？考慮周全才能找出永恆不變的真理。
15. 平衡常數K或反應商數Q，是反應物與產物的濃度或壓力互相比較的數值；同一個系統產物變多、反應物就會變少，相反地產物變少、反應物就會變多，這是相對性。每一個反應進行的客觀條件不一樣，這就是相異性。
16. 雖然能量有各種形式，熱能、動能……，但是所有的能量都可以用氣體常數R轉換成同一種能量，這就是相通性。各種反應的自由能變化ΔG，都包含「標準狀態下的自由能變化ΔG°」，與「不同溫度T造成的差異」，這是相似性。
17. 每一種物質都能精確地找出它化學變化的特性，我們才能精準地控制什麼樣的物質在什麼樣的環境下，會產生什麼樣的變化，所以人類才能藉由明確的公式研究出炸藥、核子反應爐；我們無法解決福島核災的原因是我們對輻射物的性質理解還不夠。
