Nhiệt động hóa học
Nhiệt động hóa học áp dụng các định luật phổ quát về năng lượng và entropy vào biến đổi hóa học, dự đoán liệu phản ứng có xảy ra hay không, mức độ diễn ra của chúng, và cách pha và thành phần phản ứng với nhiệt độ, áp suất và nồng độ.
Definition
Nhiệt động hóa học là một nhánh của hóa lý sử dụng các hàm trạng thái như enthalpy, entropy và năng lượng tự do để xác định tính tự phát, vị trí cân bằng và năng lượng của các phản ứng hóa học và chuyển pha.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm mô tả nhiệt động lực học của các hệ hóa học: nội năng, enthalpy, entropy, và năng lượng tự do Gibbs và Helmholtz; thế hóa học như biến số điều khiển dòng vật chất và phản ứng; các điều kiện cân bằng hóa học và pha; quy tắc pha Gibbs; và phép đo nhiệt thông qua nhiệt hóa học và nhiệt lượng kế. Nguồn gốc cơ học thống kê của các đại lượng vĩ mô này được xử lý riêng trong nhiệt động lực học thống kê, và các định luật này dưới dạng vật lý tổng quát được đề cập trong vật lý; ở đây, trọng tâm là việc sử dụng chúng để dự đoán hướng và mức độ của các quá trình hóa học.
Sub-topics
Core questions
- Điều gì quyết định liệu một phản ứng hóa học có tự phát trong các điều kiện nhất định?
- Hằng số cân bằng của một phản ứng liên quan đến sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn của nó như thế nào?
- Thế hóa học điều chỉnh dòng vật chất giữa các pha và vị trí cân bằng như thế nào?
- Bao nhiêu pha và thành phần có thể cùng tồn tại, và quy tắc pha hạn chế chúng như thế nào?
Key concepts
- Enthalpy, entropy và năng lượng tự do Gibbs
- Thế hóa học và hoạt độ
- Hằng số cân bằng và thương số phản ứng
- Trạng thái tiêu chuẩn và điều kiện tham chiếu
- Quy tắc pha và bậc tự do
Key theories
- Tiêu chí năng lượng tự do Gibbs cho tính tự phát
- Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, một quá trình là tự phát khi năng lượng tự do Gibbs giảm; cân bằng tương ứng với một cực tiểu trong G, liên kết sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn với hằng số cân bằng thông qua dG = -RT ln K.
- Thế hóa học và các điều kiện cân bằng
- Mỗi loài mang một thế hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần; vật chất chảy từ vùng có thế hóa học cao hơn đến vùng có thế hóa học thấp hơn, và cân bằng đạt được khi thế hóa học của mỗi thành phần bằng nhau trên tất cả các pha.
Clinical relevance
Nhiệt động hóa học là nền tảng của kỹ thuật phản ứng, các quá trình tách, thiết kế vật liệu và luyện kim, năng lượng pin và pin nhiên liệu, và năng lượng sinh học của quá trình trao đổi chất, cung cấp các tiêu chí quyết định những biến đổi nào khả thi và vị trí cân bằng.
History
Nhiệt động hóa học được thành lập vào những năm 1870 bởi J. Willard Gibbs, người đã đưa ra thế hóa học và quy tắc pha trong nghiên cứu cân bằng dị thể; khuôn khổ này được mở rộng bởi van't Hoff, Nernst và Lewis, những người đã hệ thống hóa năng lượng tự do, hoạt độ và trạng thái tiêu chuẩn, và bởi Onsager, người đã tổng quát hóa nó cho các quá trình không thuận nghịch.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
- Walther Nernst
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
- onsager1931
Frequently asked questions
- Năng lượng tự do Gibbs âm có nghĩa là phản ứng sẽ xảy ra nhanh chóng không?
- Không. Nhiệt động lực học cho bạn biết liệu một phản ứng có thuận lợi hay không và vị trí cân bằng nằm ở đâu, nhưng không cho biết tốc độ đạt được cân bằng; tốc độ được điều chỉnh bởi động học hóa học và có thể cực kỳ chậm ngay cả đối với một phản ứng tự phát mạnh.
- Sự khác biệt giữa thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn và thực tế là gì?
- Thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn đề cập đến tất cả các loài ở trạng thái tiêu chuẩn tham chiếu của chúng, trong khi thay đổi thực tế tính đến nồng độ hoặc áp suất thực tế thông qua thương số phản ứng; giá trị thực tế, chứ không phải giá trị tiêu chuẩn, quyết định hướng phản ứng tại bất kỳ thời điểm nào.