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]：GH—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：

ΔG

ΔG>0，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时，lnK■（T2）=-■+■

两式相减，得

ln■=■■

如果反应是液体气化的过程：H2O（1）=H2O（g）

反应的标准平衡常数K■=p（H2O）/P■，即等于平衡时气体的相对蒸气压力。将范霍夫（van，t Hoff）方程式应用于液体的气化过程，得：ln■=■■

此式称为克拉贝龙—克劳修斯（Clapeyron-Clausii）方程式，式中ΔvapH■■为液体的标准摩尔汽化焓。此式表示2个不同热力学温度与相应2个蒸气压力间的关系，也可用来表示2个不同压力下的相应沸腾温度间的关系[7]。

3.5.2能斯特（Nernst）方程。通过十字关系图中②、④两式可得：

ΔrG■■（T）=-nFε，ΔrG■■（T）=-nFεθ

ΔrG■■（T）=ΔrG■■（T）+RTlnQ

-nFε=-nFεθ+RTlnQ

ε=εθ-■lnQ

此式最先由德国化学家W.Nernst提出来，叫做Nernst方程，是电化学中的基本方程。上式是电池反应的Nernst方程，电极反应的Nernst方程如下：

φ=φθ-■ln■

3.5.3εθ与K■■的关系。利用十字关系图中③式和④式，可得：

-RTlnK■■（T）=ΔrG■■（T）=-nFεθ

lnK■■（T）=■

由上述关系可以看出电动势或电极电势的测定是热力学信息的重要来源之一，可以通过ε、εθ、φθ等的测定或计算得到ΔrG■■（T）、ΔrG■■（T）和K■■。很显然，由热力学数据也可以计算ε、εθ和φθ。

4 结语

无机化学知识点多，把各个知识点串联起来，形成一个相互关联的知识体系，能使学生更好掌握各知识点，也能促进学生的综合分析能力。吉布斯函数很好的起到了这个串联作用，利用ΔrG■■（T）的十字关系图，将热化学、化学平衡和电化学清晰的串联在一起，使这些沉闷的公式“流动”起来，激发学生将各知识点融会贯通，学习效率事半功倍。

参考文献：

[1]大连理工大学无机化学教研室.无机化学[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]董克满，焦庆祝，侯士华.一种新的热力学函数关系图[J].齐齐哈尔师范学院学报（自然科学版），1994，14（1）：26-28.

[3]魏鸿恩.热力学函数关系图示法[J].西安建筑科技大学学报，1997，29（1）：27-29.

[4]李明.热力学关系十字推导记忆法[J].玉溪师范高等专科学校学报，1999，15（3）：78-80.

[5]王树国，袁誉洪，李金林.热力学函数关系式的坐标记忆法[J].广东化工，2010，37（1）：168.

[6]李新华.热力学函数之间关系式的简单记忆法[J].渤海大学学报（自然科学版），2012，33（2）：149-151.

[7]赵士铎.普通化学[M].第3版.北京：中国农业大学出版社，2007.

基金项目：海南大学教育教学研究项目（hdjy1226）

作者简介：王华明（1978-），男，湖南嘉禾人，海南大学材料与化工学院讲师，硕士，研究方向：无机分析化学教学研究。