普通化学中吉布斯自由能变的计算

科技信患

高校理科研究

普通化学巾吉布斯自由雒变的计算

华北水利水电学院环境与市政工程学院

曾永姚文志

［摘要】本文对普通化学中重要的热力学状态函数吉布斯自由能的改变量ＡＧ的计算做了系统的归蚺和总结。使非化工专业的学生能够正确理解并熟练掌握，对教师的教以及学生的学具有很好的参考价值。【关键词】吉布斯自由能

吉布斯自由能变的计算

吉布斯等温方程

热力学等温方程常会忽略该细节。

普通化学课程是我校无机非金属材料、土木Ｔ程、建筑节能技术与工程、再生资源科学与技术、消防Ｔ程以及建筑环境与设备Ｔ程等非化学化工专业开设的一门重要的现代化学导论课程，其目的是要给学生以高素质的化学通才教育。旨在通过化学反应基本规律和物质结构理论的学习，使学生了解当代化学学科的概貌，能运用化学的理论、观点、方法审视公众关注的环境污染、能源危机、新兴材料、生命科学、健康与营养等社会热点话题、了解化学对人类社会的作用和贡献川。在化学反应基本规律的学习过程中，无论是化学反应自发进行方向的判断、进行程度的衡量，还是由氧化还原反应组成原电池的电动势的计算都离不开吉布斯自由能变（△Ｇ）的计算。非化学化工专业学生中部分存在化学基础差、概念模糊等突出问题．这些问题导致他们思路混淆不能很好掌握△Ｇ的计算．具体体现在作业以及考试中屡屡出错。目前已有文献”４Ｊ报道了关于ＡＧ的计算，但这些报道均以物理化学为背景，对非化学化工专业学生来说理解起来比较困难。针对上述问题．笔者结合自己的教学实践在此对化学反应△Ｇ的计算做一小结并分析了在计算中容易ｍ现的问题。以此来强化学生的理解和记忆，使这些非化学化工专业的学牛在普通化学的学习过程中能更好掌握进而能够灵活运用。

１．吉布斯自由能（Ｇ）的概念

按照国际纯粹与应崩化学联合会（ＩＵＰＡＣ）的定义，吉布斯自南能或

③利用反应的标准平衡常数Ｋ。计算

反应的标准平衡常数Ｋ”与反应的△ｒＧ．。之间有关系：

Ａ，Ｇ。“＝－ＲＴＩｎＫ”＝－２．３０３ＲＴＩｇＫ”

故可以南Ｋ”求出反应的Ａ，Ｇ，。。

④利用原电池的标准电动势Ｅ鼻计算

电池反应的标准电动势Ｅ。与△ＪＸ８之间有关系：△，Ｇ？＝一ｒｉＦＥ８

而Ｅ８又可由组成原电池的正、负电极的电极电势‘ｐ。得到，即Ｅ。＝ｔ０．ｓ－ｔｏ．。。其中ｒｌ为电池反应中转移的电子的物质的量，单位ｔｏｏｌ；Ｆ为法拉第常数，１Ｆ＝９６４８５

ｃ・ｔｏｏｌ～。

２．２非标准态反应△Ｇ的计算

上述介绍的计算方法都是适用于标准状态的，生产和生活中所遇到的化学反应并非总是处于标准状态，这些反应Ａ，ｃ。的计算有以下方法。

①利用△Ｇ。。及反应熵Ｏ计算

根据热力学等温方程（或范特霍夫等温方程式）△，Ｇ。ｆｎ＝Ａ，Ｇ．”（Ｔ）＋ＲＴＩｎＱ

△ｒＧ．（Ｔ）是非标态任一温度Ｔ时的吉布斯自由能变；Ａｒｃ。。（Ｔ）为

吉布斯Ｐ丙数是焓（Ｈ）减去热力学温度ｍ和熵（ｓ）的乘积，即Ｇ＝Ｈ一＂ＩＳ，常称

为自南能或自由焓。其ｓＩ单位为焦耳们。与其他热力学甬数一样，Ｇ也具有状态甬数的属性。由于Ｈ绝对值未知故Ｇ的绝对值也是不可知的，但其变化量即ＡＧ只决定于系统的始态和终态．而与变化的具体途径无关。

Ｇ具有广泛的功能特性。如在等温、等压条件下可作为反应自发进行方向的判据．还具有狭义化学势、最大非膨胀功和狭义表面自由能等功能”－。Ｇ的这些功能特性往往都是以其改变量△Ｇ来体现的．下面详细介绍普通化学中化学反应△Ｇ的计算方法。

２．化学反应厶Ｇ的计算方法

标态时任一温度Ｔ时的标准吉布斯自由能变．，Ｇ．”ｍ＝Ａ．Ｈ．。（２９８．１５Ｋ卜Ｔ△Ｓ。（２９８．１５Ｋ）；Ｑ为反应熵，其形式和标准平衡常数Ｋ”类

似．不同之处在于其中浓度项为任一状态时的。而Ｋ。中浓度项必须为平衡状态时的。

②利用原电池的电动势Ｅ计算

电动势为Ｅ的原电池发生如下电池反应：ａＡ（ａ哪＋ｈＢ（ａｃ０＝ｄＤ（ａｏＯ＋ｅＥ（ａｑ）该反应的△，Ｇ－可由电动势Ｅ求得，

△ｒｃ。＝一ｎＦＥ

参与反应的各物质状态不同．计算方法也有所不同。

２．１标准态反应△Ｇ的计算

标准态ｎ慢应△ｃ的计算有以下几种方法：

①利用反应系统中各物质的标准摩尔生成吉布斯自由能△ＩＧ．。计

算

△ｆｃ．。数值可以通过查表获得，但要注意查表所得的多为室温下（２９８．１５Ｋ）的数值。若反应发生前后体系温度均为室温则可直接计算，如对任意反应：

ａＡ＋ＢＢ＝ｄＤ＋ｅＥ

肛冉器ｈ器

度．单位ｔｏｏｌ・Ｌ～；标准浓度ｃ。＝ｌ

３．结论质量。

参考文献

其中电动势Ｅ可由能斯特方程得到。

ｆｄＤ）一ｒｃＷ２，

ｏ—ｊｒ儿ｆｒ’

酽为电池反应的标准电极电势；ｆ为参与电池反应各反应物浓

ｔｏｏｌ・Ｌ一。

通过以上的归纳和总结，解决了普通化学中△Ｇ的计算问题．使零散的知识系统化．复杂过程的ｉｒ算规律化。同时．对学生在学习过程中有效使用△Ｇ判断各种反应所进行的方向和限度提供一定的帮助．有助于培养学生分析问题、解决问题的能力。进而提高普通化学的教学

在标准态、室温下该反应的

△，Ｇ。”－－ＮＡＢ．“（Ｄ）＋ｅ△Ｂ。。（Ｅ）卜【ａＡ￡。。（Ａ）＋ｈ△ＩＧ。。（Ｂ）１

若反应后体系温度发生改变而不是在室温下，则不能用此法来计算，需用下面的方法计算。

②利Ｊ｝｝ｊ反应的标准摩尔焓变△，Ｈ．。和标准摩尔熵变△－ＳＩ。计算根据吉布斯等温方程△ｒＧ．。＝△．Ｈ．。－ＴＡＳ８

若反应体系温度在室温则有

［１］浙江大学普通化学教研组．普通化学（第五版）【Ｍ］．北京：高等教

育出版社．２００２：１—６．

△ｆＧ。“（２９８．１５Ｋ）＝Ａ，Ｈ。”（２９８．１５Ｋ）一２９８．１５×Ａ＆。（２９８．１５Ｋ）

若反砬体系温度不在审温则有

△，Ｇ。”ｒｎ＝△．Ｈ。”（２９８．Ｉ５Ｋ）一ＴＡｒＳ。。（２９９．１５Ｋ）

［２】张君才．吉布斯自由能变的计算及其应用［Ｊ］．成阳师范专科学

校学报．１９９９。１４（３）：４９—５３．

［３］刘有芹。颜芸．徐悦华．物理化学中吉布斯自由能理解及计算

由于体系的Ａ．Ｈ。“和△－Ｓ。”基本不随温度的改变而改变，即△，Ｈ。。

ｆＩ’ｌ—Ａ，Ｈ。”（２９８．１５Ｋ）、Ａ＆”（Ｄ一△＆”（２９８．１５Ｋ）．故若体系温度不在室

温则可用．卜．式计算。

应用吉布斯等温方程计算反应的△，‰。时特别要注意△．Ｈ．。和

（Ｊ］．广东化工．２０１０，３７０２）：１５０一１５１，

［４］张顾．吉布斯自由能的多功能性质探讨［Ｊ］．大学化学。２０１１．２６

（２）：６７—７２．

△Ｓ。的单位．一般备得△，Ｈ。”的单位多为ｋＪ・ｔｏｏｌ～．而ＡｒＳ。”的单佗多为Ｊ・ｔｏｏｌ一・Ｋ－１．敞计算时一定要把两者单位中的ｋｊ或Ｊ统一。初学者常

［５】浙江大学普通化学教研组．普通化学（第五版）［Ｍ］．北京：高等教育出版社。２（ｘＪ２：２１．

・－一１４１・－－—

万方数据

普通化学中吉布斯自由能变的计算

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

曹永， 姚文志

华北水利水电学院环境与市政工程学院科技信息

Science & Technology Information2012(2)

1.浙江大学普通化学教研组 普通化学(第五版) 20022.张君才 吉布斯自由能变的计算及其应用 1999(03)

3.刘有芹;颜芸;徐悦华 物理化学中吉布斯自由能理解及计算[期刊论文]-广东化工 2010(12)4.张颖 吉布斯自由能的多功能性质探讨[期刊论文]-大学化学 2011(02)5.浙江大学普通化学教研组 普通化学(第五版) 2002

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjxx201202120.aspx

科技信患

高校理科研究

普通化学巾吉布斯自由雒变的计算

华北水利水电学院环境与市政工程学院

曾永姚文志

［摘要】本文对普通化学中重要的热力学状态函数吉布斯自由能的改变量ＡＧ的计算做了系统的归蚺和总结。使非化工专业的学生能够正确理解并熟练掌握，对教师的教以及学生的学具有很好的参考价值。【关键词】吉布斯自由能

吉布斯自由能变的计算

吉布斯等温方程

热力学等温方程常会忽略该细节。

普通化学课程是我校无机非金属材料、土木Ｔ程、建筑节能技术与工程、再生资源科学与技术、消防Ｔ程以及建筑环境与设备Ｔ程等非化学化工专业开设的一门重要的现代化学导论课程，其目的是要给学生以高素质的化学通才教育。旨在通过化学反应基本规律和物质结构理论的学习，使学生了解当代化学学科的概貌，能运用化学的理论、观点、方法审视公众关注的环境污染、能源危机、新兴材料、生命科学、健康与营养等社会热点话题、了解化学对人类社会的作用和贡献川。在化学反应基本规律的学习过程中，无论是化学反应自发进行方向的判断、进行程度的衡量，还是由氧化还原反应组成原电池的电动势的计算都离不开吉布斯自由能变（△Ｇ）的计算。非化学化工专业学生中部分存在化学基础差、概念模糊等突出问题．这些问题导致他们思路混淆不能很好掌握△Ｇ的计算．具体体现在作业以及考试中屡屡出错。目前已有文献”４Ｊ报道了关于ＡＧ的计算，但这些报道均以物理化学为背景，对非化学化工专业学生来说理解起来比较困难。针对上述问题．笔者结合自己的教学实践在此对化学反应△Ｇ的计算做一小结并分析了在计算中容易ｍ现的问题。以此来强化学生的理解和记忆，使这些非化学化工专业的学牛在普通化学的学习过程中能更好掌握进而能够灵活运用。

１．吉布斯自由能（Ｇ）的概念

按照国际纯粹与应崩化学联合会（ＩＵＰＡＣ）的定义，吉布斯自南能或

③利用反应的标准平衡常数Ｋ。计算

反应的标准平衡常数Ｋ”与反应的△ｒＧ．。之间有关系：

Ａ，Ｇ。“＝－ＲＴＩｎＫ”＝－２．３０３ＲＴＩｇＫ”

故可以南Ｋ”求出反应的Ａ，Ｇ，。。

④利用原电池的标准电动势Ｅ鼻计算

电池反应的标准电动势Ｅ。与△ＪＸ８之间有关系：△，Ｇ？＝一ｒｉＦＥ８

而Ｅ８又可由组成原电池的正、负电极的电极电势‘ｐ。得到，即Ｅ。＝ｔ０．ｓ－ｔｏ．。。其中ｒｌ为电池反应中转移的电子的物质的量，单位ｔｏｏｌ；Ｆ为法拉第常数，１Ｆ＝９６４８５

ｃ・ｔｏｏｌ～。

２．２非标准态反应△Ｇ的计算

上述介绍的计算方法都是适用于标准状态的，生产和生活中所遇到的化学反应并非总是处于标准状态，这些反应Ａ，ｃ。的计算有以下方法。

①利用△Ｇ。。及反应熵Ｏ计算

根据热力学等温方程（或范特霍夫等温方程式）△，Ｇ。ｆｎ＝Ａ，Ｇ．”（Ｔ）＋ＲＴＩｎＱ

△ｒＧ．（Ｔ）是非标态任一温度Ｔ时的吉布斯自由能变；Ａｒｃ。。（Ｔ）为

吉布斯Ｐ丙数是焓（Ｈ）减去热力学温度ｍ和熵（ｓ）的乘积，即Ｇ＝Ｈ一＂ＩＳ，常称

为自南能或自由焓。其ｓＩ单位为焦耳们。与其他热力学甬数一样，Ｇ也具有状态甬数的属性。由于Ｈ绝对值未知故Ｇ的绝对值也是不可知的，但其变化量即ＡＧ只决定于系统的始态和终态．而与变化的具体途径无关。

Ｇ具有广泛的功能特性。如在等温、等压条件下可作为反应自发进行方向的判据．还具有狭义化学势、最大非膨胀功和狭义表面自由能等功能”－。Ｇ的这些功能特性往往都是以其改变量△Ｇ来体现的．下面详细介绍普通化学中化学反应△Ｇ的计算方法。

２．化学反应厶Ｇ的计算方法

标态时任一温度Ｔ时的标准吉布斯自由能变．，Ｇ．”ｍ＝Ａ．Ｈ．。（２９８．１５Ｋ卜Ｔ△Ｓ。（２９８．１５Ｋ）；Ｑ为反应熵，其形式和标准平衡常数Ｋ”类

似．不同之处在于其中浓度项为任一状态时的。而Ｋ。中浓度项必须为平衡状态时的。

②利用原电池的电动势Ｅ计算

电动势为Ｅ的原电池发生如下电池反应：ａＡ（ａ哪＋ｈＢ（ａｃ０＝ｄＤ（ａｏＯ＋ｅＥ（ａｑ）该反应的△，Ｇ－可由电动势Ｅ求得，

△ｒｃ。＝一ｎＦＥ

参与反应的各物质状态不同．计算方法也有所不同。

２．１标准态反应△Ｇ的计算

标准态ｎ慢应△ｃ的计算有以下几种方法：

①利用反应系统中各物质的标准摩尔生成吉布斯自由能△ＩＧ．。计

算

△ｆｃ．。数值可以通过查表获得，但要注意查表所得的多为室温下（２９８．１５Ｋ）的数值。若反应发生前后体系温度均为室温则可直接计算，如对任意反应：

ａＡ＋ＢＢ＝ｄＤ＋ｅＥ

肛冉器ｈ器

度．单位ｔｏｏｌ・Ｌ～；标准浓度ｃ。＝ｌ

３．结论质量。

参考文献

其中电动势Ｅ可由能斯特方程得到。

ｆｄＤ）一ｒｃＷ２，

ｏ—ｊｒ儿ｆｒ’

酽为电池反应的标准电极电势；ｆ为参与电池反应各反应物浓

ｔｏｏｌ・Ｌ一。

通过以上的归纳和总结，解决了普通化学中△Ｇ的计算问题．使零散的知识系统化．复杂过程的ｉｒ算规律化。同时．对学生在学习过程中有效使用△Ｇ判断各种反应所进行的方向和限度提供一定的帮助．有助于培养学生分析问题、解决问题的能力。进而提高普通化学的教学

在标准态、室温下该反应的

△，Ｇ。”－－ＮＡＢ．“（Ｄ）＋ｅ△Ｂ。。（Ｅ）卜【ａＡ￡。。（Ａ）＋ｈ△ＩＧ。。（Ｂ）１

若反应后体系温度发生改变而不是在室温下，则不能用此法来计算，需用下面的方法计算。

②利Ｊ｝｝ｊ反应的标准摩尔焓变△，Ｈ．。和标准摩尔熵变△－ＳＩ。计算根据吉布斯等温方程△ｒＧ．。＝△．Ｈ．。－ＴＡＳ８

若反应体系温度在室温则有

［１］浙江大学普通化学教研组．普通化学（第五版）【Ｍ］．北京：高等教

育出版社．２００２：１—６．

△ｆＧ。“（２９８．１５Ｋ）＝Ａ，Ｈ。”（２９８．１５Ｋ）一２９８．１５×Ａ＆。（２９８．１５Ｋ）

若反砬体系温度不在审温则有

△，Ｇ。”ｒｎ＝△．Ｈ。”（２９８．Ｉ５Ｋ）一ＴＡｒＳ。。（２９９．１５Ｋ）

［２】张君才．吉布斯自由能变的计算及其应用［Ｊ］．成阳师范专科学

校学报．１９９９。１４（３）：４９—５３．

［３］刘有芹。颜芸．徐悦华．物理化学中吉布斯自由能理解及计算

由于体系的Ａ．Ｈ。“和△－Ｓ。”基本不随温度的改变而改变，即△，Ｈ。。

ｆＩ’ｌ—Ａ，Ｈ。”（２９８．１５Ｋ）、Ａ＆”（Ｄ一△＆”（２９８．１５Ｋ）．故若体系温度不在室

温则可用．卜．式计算。

应用吉布斯等温方程计算反应的△，‰。时特别要注意△．Ｈ．。和

（Ｊ］．广东化工．２０１０，３７０２）：１５０一１５１，

［４］张顾．吉布斯自由能的多功能性质探讨［Ｊ］．大学化学。２０１１．２６

（２）：６７—７２．

△Ｓ。的单位．一般备得△，Ｈ。”的单位多为ｋＪ・ｔｏｏｌ～．而ＡｒＳ。”的单佗多为Ｊ・ｔｏｏｌ一・Ｋ－１．敞计算时一定要把两者单位中的ｋｊ或Ｊ统一。初学者常

［５】浙江大学普通化学教研组．普通化学（第五版）［Ｍ］．北京：高等教育出版社。２（ｘＪ２：２１．

・－一１４１・－－—

万方数据

普通化学中吉布斯自由能变的计算

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

曹永， 姚文志

华北水利水电学院环境与市政工程学院科技信息

Science & Technology Information2012(2)

1.浙江大学普通化学教研组 普通化学(第五版) 20022.张君才 吉布斯自由能变的计算及其应用 1999(03)

3.刘有芹;颜芸;徐悦华 物理化学中吉布斯自由能理解及计算[期刊论文]-广东化工 2010(12)4.张颖 吉布斯自由能的多功能性质探讨[期刊论文]-大学化学 2011(02)5.浙江大学普通化学教研组 普通化学(第五版) 2002

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