物理化学物理化学物理化学 (13).pdf

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1、教学园地热力学状态函数标准态的含义*摘要:物理化学在化学化工类、材料类、环境类、能源类等专业人才培养中都具有重要的作用和地位。“标准态”一词是物理化学中多次出现，正确理解各种“标准”的含义是掌握和使用很多重要的理论、公式、概念的基础。本文根据 IUPAC 的规定，将本科物理化学课程中的焓、熵、吉布斯自由能等热力学状态函数的“标准态”进行了整理、归纳和剖析，对物理化学教学和相关研究人员深入、准确地理解这一概念及相关理论有所帮助。关键词:物理化学;标准态;状态函数中图分类号:O64文献标志码:A文章编号:10019677(2021)011012503*基金项目:湖南省普通高等学校教学改革研究项目(

2、湘教通2019291 号 651);衡阳师范学院优质在线课程 物理化学(双语课程)(YZKC201739)。第一作者:刘兴(1983)，男，博士，副教授，主要从事物理化学教学和催化材料研究。Meaning of Standard States in Thermodynamic State Functions*LIU Xing，LI Junhua，ZENG ongying(College of Chemistry and Material Science，Hengyang Normal University，Hunan Hengyang 421008，China)Abstract:Physica

3、l Chemistry plays an important role and status in the training of professional talents in Chemistryand Chemical Engineering，Materials，Environment and Energy.The term standard appears many times in PhysicalChemistry.Correctly understanding the meaning of various standards is the basis for mastering a

4、nd using manyimportant theories，formulasand concepts.All the“standards”involved in thermodynamic state functions，includingenthalpy，entropyand Gibbs free energy inundergraduate Physical Chemistry course was systematically organized，summarized and analyzed according to IUPAC stipulations.It was helpfu

5、l to deeply and accurately understand this conceptand related theories.Key words:Physical Chemistry;standard states;state functions物理化学采用物理的方法和手段来研究化学现象，是物理学和化学的交叉学科，在化学化工类、材料类、环境类、能源类等专业人才培养中都具有重要的作用和地位。“标准”(一般用符号“”或“!”表示)是物理化学中的重要概念，几乎贯穿整个课程15，是正确掌握和使用很多重要的理论、公式、概念的基础。由于“标准”的概念在物理化学中多次出现而且在不同的地方含义

6、不尽相同，学生在遇到“”这一符号时，往往不能准确理解其涵义甚至误解其意义，从而导致不能掌握与之相关的理论、公式，从而成为物理化学教育教学和学生学习中的普遍难点。笔者根据多年的教学经验，将本科物理化学课程中所涉及的所有的“标准”进行了系统的归纳、梳理、比较和剖析，以求对广大师生和相关研究人员深入、准确地理解这一概念有所帮助。1关于 IUPACIUPAC 即 International Union of Pure and Applied Chemistry(国际纯粹与应用化学联合会)的简称，是世界上最大、最具权威性的国际性化学组织，素有化学界的“联合国”之称6。IUPAC 于 1919 年在法国巴

7、黎成立，现任主席为中国化学家周其凤院士。目前，化学中的各种“规则”、“标准”、“命名”等大多来自该机构。本文及现行大多教材所讲的“标准”、“标准态”均以 IUPAC 的推荐为准。2热力学状态函数中“标准”2.1纯物质的标准摩尔生成焓 fHm这是很多物理化学教材中第一次出现“标准”。理论上，焓(H)是状态函数，只要体系的状态确定，那么该体系的焓的数值就是一个定值(绝对数值)。但可惜的是，目前为止，人们还没有办法得到这个数值(其它热力学函数如 U(热力学能)、G(Gibbs 自由能)、A(或 F，Helmholtz 自由能)等也是如此)。因此只能采用其相对值来计算，这样也不影响状态函数的变化值。既

8、然 H 的数值是相对，那就要有一个参考标准，这个标准就是标准压力(符号 p)时，某温度下各元素的最稳定单质7，即此时该单质的焓的数值规定为零。其它物质都参考这一标准，某温度 T 下，p时，由最稳定单质反应生成同样是 p、该温度的 1 mol 纯物质 B 的焓变(即热效应)，就是 B 的标准摩尔生成焓。这个定义用一个简式表示就是:126广州化工2021 年 6 月B 所含元素最稳定单质(T，p)纯物质 B(1 mol，T，p)H=fHm(1)fHm中的“”，有的书上认为仅指标准压力 p，但笔者以为这种看法似乎有失全面，标准摩尔生成焓是一个整体的概念，这里的“”的含义还应包括最稳定单质这个参考标准

9、。关于标准压力 p的数值，按照 IUPAC 的建议，现在一般取 100 kPa，过去也使用过 101.325 kPa 这个数值。温度在标准态里都是没有规定的，因此在不同的温度就有不同的标准态8。但 IUPAC 建议优先使用 298.15 K，所以如果不做任何说明，在物理化学中温度的默认值就是 298.15 K，一般工具书或资料列出的热力学数据也是该温度下的数据。fHm中的“标准”也引出了纯物质的标准态:对于纯气体，其标准态就是某温度下、压力为 p，且具有理想气体性质的那个状态。对于纯液体或纯固体，其标准态是指某温度下、压力为 p时的状态。2.2化学反应的标准摩尔焓变 rHm对于某温度 T 下进

10、行的一个化学反应，如参加反应的所有物质都处于标准态，则发生 1 mol 反应进度()的反应时的焓变，就是该反应的标准摩尔焓变 rHm。例如，dD(T，p)+eE(T，p)fF(T，p)+gG(T，p)=1 mol，H=rHm(2)rHm如何来求呢?可以直接由各参与反应的物质的 fHm来求，因HD 所含元素最稳定单质(T，p)D(d mol，T，p)dfHm(D)(3)E 所含元素最稳定单质(T，p)E(e mol，T，p)efHm(E)(4)F 所含元素最稳定单质(T，p)F(f mol，T，p)ffHm(F)(5)G 所含元素最稳定单质(T，p)G(g mol，T，p)gfHm(G)(6)显

11、然，因所有最稳定单质的 fHm=0，方程式(2)=(5)+(6)(3)+(4)即反应的标准摩尔焓变等于生成物的标准摩尔生成焓之和减去反应物的标准摩尔生成焓之和，该结论可以推广，写成公式，即rHm=(BfHm)生成物(BfHm)反应物(7)B为反应方程式中各物质的计量系数。2.3标准摩尔燃烧焓 cHmp和一定温度 T 下，1 mol 物质完全燃烧(完全氧化)生成规定的燃烧产物的焓变，即标准摩尔燃烧焓 cHm。所谓规定的燃烧产物指可燃物质中元素，如 C、H、N、S、Cl 等分别转化为产物 CO2(g)、H2O(l)、N2(g)、SO2(g)、HCl(aq)等，所以这些指定的燃烧产物的 cHm均为零

12、。该定义也可用简式表示:物质B(1 mol，T，p)+O2(T，p，g)完全氧化规定的产物(T，p)H=cHm(B)(8)cHm也可以用来计算化学反应的焓变 rHm，如上述反应(2)，因D(d mol，T，p)+O2(T，p，g)完全氧化规定的产物(T，p)dcHm(D)(9)E(e mol，T，p)+O2(T，p，g)完全氧化规定的产物(T，p)ecHm(E)(10)F(f mol，T，p)+O2(T，p，g)完全氧化规定的产物(T，p)fcHm(F)(11)G(g mol，T，p)+O2(T，p，g)完全氧化规定的产物(T，p)gcHm(G)(12)显然方程式(2)=(9)+(10)(11

13、)+(12)，即反应的标准摩尔焓变等于反应物的标准摩尔燃烧焓之和减去生成物的标准摩尔燃烧焓之和，该结论可以推广到一般情况，写成公式，即，rHm=(BcHm)反应物(BcHm)生成物(13)由此可见用 cHm和 fHm均可以计算化学反应的 rHm，但其计算方法不同，计算公式相差一个负号。很多同学特别是初学者不理解这两种计算 rHm的方法为什么有差异，以上我们通过简单实例说明之。2.4标准摩尔熵 Sm熵是也状态函数，理论上，只要体系的状态确定，那么该体系的熵的数值就是一个定值。根据热力学第三定律“纯物质的完美晶体在 0 K 时的熵值为零。”(这里熵值是热熵，一般化学反应的熵变就是热熵的变化，所以本

14、文所指的熵均指热熵)。其它物质的熵值以这个为参考，得到的熵为规定熵。如取压力为标准压力，则规定熵就是物质的标准摩尔熵 Sm。由于熵是系统微观状态数()的量度，纯物质的完美晶体的微观状态数为一，根据 Boltzmann 公式，S=kln，其熵值就是零，所以 Sm如仅从热熵看具有绝对值的意义，这与 fHm及后面的 fGm不一样。Sm的计算公式为:Sm=T0Cp，mdTT(14)在积分温度区间如发生相变，则还需考虑相变引起的熵变，这时上式需要分段进行积分。2.5化学反应的标准摩尔熵变 rSm跟标准摩尔焓变 rHm类似，对于某温度 T 下进行的一个化学反应，若参与反应的所有物质都处于标准态，则发生 1

15、mol的反应时的熵变即反应的标准摩尔熵变 rSm，计算方法也与rHm类似，由来 Sm计算:rSm=(BSm)生成物(BSm)反应物(15)2.6标准摩尔生成 Gibbs 自由能 fGm物质的 fGm的定义与 fHm相同，选择的参考标准也是 p时，某温度 T 下的元素最稳定单质，即取后者的 fGm为零，某物质 B 的 fGm为下述过程的 G:B 所含元素最稳定单质(T，p)纯物质 B(1 mol，T，p)G=fGm(16)2.7化学反应的标准摩尔 Gibbs 自由能变 rGm化学反应的 rGm与 rHm、rSm定义和计算公式均类似，即rGm=(BfHm)生成物(BfGm)反应物(17)3结语本文

16、根据 IUPAC 的规定，探讨了物质的标准摩尔生产焓、标准摩尔燃烧焓、标准摩尔熵、标准摩尔生成 Gibbs 自由能以(下转第 149 页)第 49 卷第 11 期刘晓庚，等:居家学习下食品类专业 分析化学实验在线教学初探149中心作用)2(详见图 3)。图 3居家在线教学的多元评价方法模式Fig.3Multiple evaluation model of home online teaching采用教师评价和学生评价相结合的多元评价方法，能将量化和质性分析有机融合。教师根据教学平台跟踪着学生学习的过程性数据、交互数据和结果数据等作量化统计分析，且通过可视化的在线教学观察到的学生学习动态、学习意

17、愿、学习态度、学习投入等方面做出质性评价。学生评价包括学生互评和自我评价两部分，学生根据在线学习过程中的参与度、积极性、协作性、任务完成情况和存在问题的认知及今后学习的策略等，从而综合地做出公正客观地互评和自评。由此可见多元评价模式应该是在线教学和居家学习课程评价的不二之选。3结语学期结束时，通过学生调查问卷的统计表明:有 88.3%的同学对这种实验课程的线上教学模式是满意的，有 95.4%的同学认为项目教学法的分析化学实验有趣味，能够促使他们去观察实际生活中的各种现象，并能用所学知识来探讨分析现象背后的成因与机理等;增加他们的好奇心;增强他们的动手能力。但有 10.2%同学认为项目难度较大、

18、任务较重、居家难以圆满完成任务;有 44.7%的同学感觉线上实验的体验感不足，这都表明项目教学法和在线实验教学模式存在局限性。也为今后发展线上线下融合的多种教学方法相结合的混合式教学新模式提供了发展的思路和改进空间。项目教学法仅是实验课程线上教学的一个开端，今后还需在总结经验的基础上，用“从头越”的精神扎实开展因地制宜、因才施教的线上线下混合式实验实践课程的教学改革，使实验课教学在任何环境条件下都能高质量地顺利开展，为实现建设一流课程目标勇往攀登。参考文献 1陈永富，朱秋华，尹尚军.高校实验教学中学生能力的培养 基于基础生物实验课程的改革与实践J教育理论与实践，2009(27):5456.2宋

19、灵青，许林，李雅瑄.精准在线教学+居家学习模式:疫情时期学生学习质量提升的途径 J 中国电化教育，2020(3):114122.3胡庆芳.优化课堂教学:方法与实践M 北京:中国人民大学出版社，2014:2346，167183.4刘晓庚.创新教学方法，提高食品类专业 分析化学 教学质量 J 广州化工，2016，44(20):184186.5谭正德，易兵，黄赛金，等.分析化学实验教学的实践化探讨J实验室研究与探索，2010，29(11):332334 6陈琳，刘海燕，陈红，等.基于项目化教学法的分析化学实验教学改革探索 J 山东化工，2020(7):235236 7张燮.工业分析化学实验M 北京:

20、化工出版社，2007:4649，7983.檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵(上接第 126 页)及化学反应中焓、熵、Gibbs 自由能等热力学函数的标准摩尔变化值的涵义及其他们之间的联系和区别。对广大师生特别是初学者准确、深入地把握“标准态”这一重要概念有所帮助。参考文献 1傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学.第五版M 北京:高等教育出版社，2006:101110，176181，356361.2天津大学物理化学教研室.物理化学.第四版M 北京:高等教育出版社，2001:7683，125129，134137.3Peter Atk

21、ins，Julio de Paula.Physical Chemistry.7th edition(影印版)M北京:高等教育出版社，2006:5560，106108.4屈景年.物理化学 M 北京:中国人民大学出版社，2009:4651，105117，290295.5余刚，董奇志，李淑芳.精编物理化学讲义M 北京:高等教育出版社，2016:6369，108112 6张曼平.国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)简介J 大学化学，1998，13(2):6164.7张一飞，刘雪锋.如何理解和使用标准态J 常州技术师范学院学报，1996，2(3):5962.8崔晓丽.如何理解标准态选择的任意性J 四川师范大学学报(自然科学版)，1997，20(3):105108.