化学反应焓变和熵变
化学反应是化学变化的过程,化学反应能量变化的大小和方向是化学反应的重要参数之一。反应过程中涉及到的能量变化可通过焓变和熵变来描述。
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焓是热力学的一种物理量,用符号H表示。焓变ΔH是在常压下,反应前后系统引发的热量的差值。对于吸热反应,系统吸收了外界热量,反应进程的ΔH为正数。对于放热反应,系统释放出热量,反应进程的ΔH为负数。焓变跟反应的物质状态、反应温度有关系。
例如,在常温下,水会与氧气反应生成水分子。反应过程中释放热量,ΔH为-286kJ/mol,意味着每摩尔水分子生成时会释放出286kJ的热量。
除焓变外,熵变ΔS也是反应过程中热力学参数之一。熵是系统无序(称为热力学熵)或物理状态的概率(称为统计熵)的测量。熵变ΔS则反映了反应系统的混乱程度的变化。如果ΔS为正数,则反应过程中有序的系统转化为了混乱的系统,比如化学反应中液体化学物质转化成气态;如果ΔS为负数,则反应过程中混乱的系统转化为了有序的系统,比如固态物质溶入溶液中。
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例如,在化学反应中燃烧木材,木材在高温下变成一堆灰烬和烟雾。这是一个放热反应,ΔH为负数,但是熵变是正数,因为温度升高,有序的木材变成乱七八糟的灰烬和烟雾,系统的混乱程度变大。
据此可以得知,一个热力学反应会发生的充分条件是总焓变ΔH<0,且总熵变ΔS>0,因为这时候系统能量降低、熵增加,符合热力学第二定律的要求。通常情况下,ΔH与ΔS的大小关系决定了反应的驱动力。例如,当ΔH的价值远大于ΔS时,反应将很难达到平衡,因为反应过程中系统能量增加,而熵的增加没有足够的代价来弥补这种增加。而当ΔH的价值低于ΔS时,反应进程可能会更容易达到平衡。