关于吉布斯（Gibbs）函数在无机化学教学中串联作用的探讨.docVIP

关于吉布斯（Gibbs）函数在无机化学教学中串联作用的探讨 　　摘要：本文讨论了吉布斯（Gibbs）函数与热化学、化学平衡及电化学的关系，利用ΔrG■■（T）的十字关系图将各知识点串联起来，连点成线、构线成面，形成系统的学习体系，提高教学效率。 　　关键词：无机化学；吉布斯函数；十字关系图；串联 　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）45-0190-02 　　1 引言 　　无机化学是四大基础化学之一，是化学及相关专业入门必修基础课程。内容包含气体、热化学、化学动力学基础、化学平衡（含溶液四大平衡）、电化学、物质结构和元素化学，相比中学化学知识，大学无机化学最大的不同是引入了热化学知识，如何将热化学知识与其他知识点联系起来成为教学中的一个难点，本文以热力学中吉布斯（Gibbs）函数为桥梁，将热力学与化学平衡及电化学知识点串联起来，形成一个系统的学习体系，促进无机化学知识点的融合。 　　2 吉布斯（Gibbs）函数的基本概念 　　吉布斯函数G又被称为Gibbs自由能，由著名美国理论物理学家J.W.Gibbs（1839～1903）最先提出，其定义式如下[1]：G≡H—TS 　　H，T，S都是状态函数，G也是状态函数，并且与H有相同的量纲。定义式中H在热力学里面称为焓，ΔH为焓变。在热化学中ΔH=QP，表明：在定压和不做非体积功的过程中，封闭体系从环境所吸收的热等于体系焓的增加。ΔH0）是自发趋向。体系的自由能变ΔG=ΔH-TΔS综合ΔH和ΔS这两个自发动力，热力学第二定律认为等温、定压且体系不做非体积功条件下： 　　ΔG0，正向过程自发进行； 　　ΔG0，正向过程不可能自发，逆向过程自发进行； 　　ΔG=0，体系处于平衡状态。 　　在定温定压下的可逆过程中，自由能变ΔG等于体系所做最大非体积功：ΔG=Wmax 　　热化学重点研究化学反应过程的热力学函数的变化，下面我们利用化学反应过程中的标准摩尔吉布斯函数变ΔrG■■（T）串联化学平衡和电化学的各知识点。 　　3 ΔrG■■（T）的十字关系图[2-6] 　　3.1 吉布斯—亥姆霍兹（Gibbs—Helmhotz）公式 　　①式为吉布斯—亥姆霍兹（Gibbs—Helmhotz）公式，是热化学计算ΔrG■■（T）最经典的方法。由公式可知ΔrG■■（T）受温度T影响很明显，相对来说，不少化学反应的ΔrH■■（T）和ΔrS■■（T）随温度变化的改变值却很小。在无机化学中一般不考虑温度对ΔrH■■（T）和ΔrS■■（T）的影响。因此利用公式吉布斯—亥姆霍兹（Gibbs—Helmhotz）公式可以计算不同温度下的ΔrG■■（T），进一步判断标准状态下不同温度时反应自发进行的方向。 　　3.2化学等温方程式 　　②式为化学等温方程式，ΔrG■■（T）是非标准状态下的吉布斯自由能变，Q为化学反应的反应商。利用此公式可以计算非标准状态下化学反应的吉布斯自由能变，从而可判断非标准状态下反应自发进行的方向。 　　3.3ΔrG■■（T）与化学平衡的关系 　　③式是通过②式化学等温方程式推导而来： 　　ΔrG■■（T）=ΔrG■■（T）+RTIn Q 　　当反应达到平衡时：ΔrG■■（T）=0，Q=K■， 　　ΔrG■■（T）=-RTInK■（T） 　　③式将热化学与化学平衡很好的串联了起来，将这两个知识点连成了线。 　　3.4ΔrG■■（T）与电化学的关系 　　在电化学中，可逆电池在定温定压所做的最大电功为： Wmax=-nFε 　　若反应进度为1mol，ΔrG■■=Wmax=-nFε 　　在标准状态下时：ΔrG■■（T）=-nFεθ 　　此式将热化学与电化学串联起来，进而将热化学、平衡常数和电动势知识点连成了线。 　　3.5ΔrG■■（T）的串联作用 　　通过ΔrG■■（T）的十字关系图，以ΔrG■■（T）为桥梁，可以进一步推导出其他重要的公式。 　　3.5.1范霍夫（van，t Hoff）方程式。将十字关系图中的①式和③式结合起来，可得到： 　　-RTlnK■（T）=ΔrH■■（T）-TΔrS■■（T） 　　lnK■（T）=-■+■ 　　此式是热化学中十分重要的关系式之一，称为范霍夫（van，t Hoff）方程式。此式表示了温度对化学平衡的影响，严格地说，ΔrH■■（T）和ΔrS■■（T）与温度有关，但是在温度变化范围不大，物质本身又无相变发生的情况下，可以近视地将ΔrH■■（T）和ΔrS■■（T）看作与温度无关，认为：ΔrH■■（T）≈ΔrH■■（298K），ΔrS■■（T）≈ΔrS■■（298K）。则当温度分别为T1、T2时如下。 　　T1时，lnK■（T1）=-■+■ 　　T2