化学熱力学
化学熱力学は、エネルギーとエントロピーの普遍的な法則を化学変化に応用し、反応が進行するかどうか、どの程度まで進行するか、そして相と組成が温度、圧力、濃度にどのように応答するかを予測します。
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Definition
化学熱力学は、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギーなどの状態関数を用いて、化学反応および相転移の自発性、平衡位置、およびエネルギー論を決定する物理化学の一分野です。
Scope
この分野は、化学系の熱力学的記述を扱います。具体的には、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピー、ギブズおよびヘルムホルツの自由エネルギー、物質の流れと反応の駆動力としての化学ポテンシャル、化学平衡および相平衡の条件、ギブズの相律、そして熱化学と熱量測定による熱の測定です。これらの巨視的量の統計力学的起源は統計熱力学で別途扱われ、法則自体はその一般的な物理的形態で物理学で扱われます。ここでは、化学プロセスの方向と範囲を予測するためのそれらの使用に重点が置かれています。
Sub-topics
Core questions
- 与えられた条件下で化学反応が自発的であるかどうかを決定する要因は何ですか？
- 反応の平衡定数は、その標準ギブズ自由エネルギー変化とどのように関連していますか？
- 化学ポテンシャルは、相間の物質の流れと平衡の位置をどのように支配しますか？
- いくつの相と成分が共存でき、相律はそれらをどのように制約しますか？
Key concepts
- エンタルピー、エントロピー、およびギブズ自由エネルギー
- 化学ポテンシャルと活量
- 平衡定数と反応商
- 標準状態と参照条件
- 相律と自由度
Key theories
- 自発性のギブズ自由エネルギー基準
- 一定の温度と圧力において、ギブズ自由エネルギーが減少するとき、プロセスは自発的です。平衡はGの最小値に対応し、標準自由エネルギー変化と平衡定数はdG = -RT ln Kによって関連付けられます。
- 化学ポテンシャルと平衡条件
- 各化学種は、温度、圧力、および組成に依存する化学ポテンシャルを持ちます。物質は化学ポテンシャルの高い領域から低い領域へと流れ、各成分の化学ポテンシャルがすべての相で等しくなるときに平衡に達します。
Clinical relevance
化学熱力学は、反応工学、分離プロセス、材料および冶金設計、バッテリーおよび燃料電池のエネルギー論、そして代謝の生体エネルギー論の基礎をなし、どの変換が実現可能であり、平衡がどこにあるかを決定する基準を提供します。
History
化学熱力学は、1870年代にJ. Willard Gibbsによって創始されました。彼は不均一平衡の扱いにおいて化学ポテンシャルと相律を導入しました。この枠組みは、自由エネルギー、活量、標準状態を体系化したvan't Hoff、Nernst、Lewisによって拡張され、不可逆過程に一般化したOnsagerによってさらに発展しました。
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
- Walther Nernst
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
- onsager1931
Frequently asked questions
- ギブズ自由エネルギーが負であることは、反応が速く起こることを意味しますか？
- いいえ。熱力学は、反応が有利であるかどうか、および平衡がどこにあるかを示しますが、それがどれくらいの速さでそこに到達するかは示しません。速度は化学反応速度論によって支配され、非常に自発的な反応であっても極めて遅い場合があります。
- 標準自由エネルギー変化と実際の自由エネルギー変化の違いは何ですか？
- 標準自由エネルギー変化は、すべての化学種が参照標準状態にある場合を指しますが、実際の変化は、反応商を通じて実際の濃度または圧力を考慮に入れます。任意の時点での反応の方向を決定するのは、標準値ではなく実際の値です。