2011年11月8日 星期二

自由能與平衡-鐵氧化鏽蝕

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 K1mol1)
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) 00
=-1652kJ
=-1.652×106J
ΔS°2 S°Fe2O33S°O2 4 S°Fe
2mol(90Jk1mol1) 3mol(205J K1mol1) 4mol(27 J K1mol1)
=-543J/K
T27325298K
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
=-(8.3145Jk1mol1)(298k)ln(K)
因此
ln(K)(1.490×106)÷(2.48×103)601
並且 Ke601
底數換成10 K10261
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:ΔGΔHTΔS
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1atm25,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1atm25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1atm25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)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ΔGΔG°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.        ΔGΔG°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:ΔGΔG°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0ΔG0
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(ΔG0),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)」。
ΔGΔG°RTln(K), 因為ΔG0ΔG°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251atm下非常容易生鏽。
13.     科學家用同樣的物質進行反應,比較253070……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。

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