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热力学与电化学

AP 化学 · 知识点 9

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8:16

热力学与电化学

两个谜题。拿一块冰:它会在你手中融化,尽管熔化需要吸收能量。现在看一颗钻石。每一颗钻石都应该缓慢转化为…

英语旁白 · 英中内嵌字幕

9.1

熵导论

教学大纲

学习目标 9.1.A: 识别与化学或物理过程相关的熵变的符号及相对大小。

  • 9.1.A.1 当物质变得更加分散时,熵增加。例如,从固态到液态或从液态到气态的相变会导致物质的分散,因为单个粒子能够更自由地运动,并且通常占据更大的体积。同样,对于气体而言,在温度恒定的情况下,当体积增大时,气体分子能够在更大的空间内运动,此时熵也会增加。对于涉及气态反应物或生成物的反应,当气态生成物的总摩尔数大于气态反应物的总摩尔数时,熵通常会增加。
  • 9.1.A.2 当能量变得更加分散时,熵增加。根据动能分子理论(KMT),随着温度的升高,气体粒子中动能的分布范围会变宽。因此,系统的熵会随着温度的升高而增加。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Household batteries: electrochemical cells convert chemical free energy into electrical work
Household batteries: electrochemical cells convert chemical free energy into electrical work

Entropy 熵 $S$ measures the dispersal 分散 of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy usually increases on melting or vaporisation 汽化 and when accessible gas states increase. Dissolving a solid can increase or decrease the system entropy because solvation 溶剂化 also affects particle arrangements. Compare the actual states and conditions.

Entropy rises from solid to liquid to gas
Entropy rises from solid to liquid to gas
探索

熵增加还是减少?

Sort each by whether it has higher or lower entropy.

词汇 训练
English 中文 拼音
Entropy/ˈentrəpi/ 熵 shāng
dispersal 分散 fēn sàn
vaporisation/ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ 汽化 qì huà
solvation 溶剂化 róng jì huà
9.2

绝对熵与熵变

教学大纲

学习目标 9.2.A: 根据反应过程中涉及的各物质的绝对熵(标准摩尔熵),计算化学反应或物理过程的标准熵变。

  • 9.2.A.1 过程的熵变可以通过该过程发生前后涉及物质的绝对熵来计算。
    • 公式: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Every substance has a positive absolute entropy 绝对熵 $S^\circ$. For a reaction,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

探索

ΔS 的符号

Sort each reaction by the sign of its entropy change, using the change in moles of gas.

词汇 训练
English 中文 拼音
absolute entropy 绝对熵 jué duì shāng
9.3

吉布斯自由能与热力学倾向性

教学大纲

学习目标 9.3.A: 基于对 $\Delta G^{\circ}$ 的评估,解释物理或化学过程是否具有热力学倾向性。

  • 9.3.A.1 对于所有反应物和产物均处于标准状态(作为纯物质、浓度为 1.0 M 的溶液或压力为 1.0 atm(或 1.0 bar)的气体)的化学过程,其吉布斯自由能变化用符号 $\Delta G^{\circ}$ 表示。

  • 9.3.A.2 化学或物理过程的标准吉布斯自由能变化是热力学倾向性的度量。历史上,“自发”一词用于描述满足 $\Delta G^{\circ} < 0$ 的过程。为了消除常见的误解(将“自发”等同于“突然发生”或“无因由发生”),现更倾向于使用“热力学倾向性”这一表述。当过程的 $\Delta G^{\circ} < 0$ 时,称该过程具有热力学倾向性。

  • 9.3.A.3 物理或化学过程的标准吉布斯自由能变化也可以通过反应物和产物的标准生成吉布斯自由能来确定。

    • 方程: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 在某些情况下,必须同时考虑焓和熵才能确定过程是否具有热力学倾向性。水的凝固和硝酸钠的溶解就是此类现象的例子。

  • 9.3.A.5 已知某过程在给定温度下的 $\Delta H^{\circ}$ 和 $\Delta S^{\circ}$ 值,可以直接计算 $\Delta G^{\circ}$。

    • 方程: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 一般来说,过程具有热力学倾向性($\Delta G^{\circ} < 0$)的温度条件可以根据 $\Delta H^{\circ}$ 和 $\Delta S^{\circ}$ 的符号进行预测,如下表所示:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ 符号 $\Delta G^{\circ} < 0$,倾向性出现在:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ 所有 $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ 无 $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ 高 $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ 低 $T$

    在 $\Delta H^{\circ} < 0$ 且 $\Delta S^{\circ} > 0$ 的情况下,无需计算 $\Delta G^{\circ}$ 即可确定该过程具有热力学倾向性($\Delta G^{\circ} < 0$)。在 $\Delta H^{\circ} > 0$ 且 $\Delta S^{\circ} < 0$ 的情况下,无需计算 $\Delta G^{\circ}$ 即可确定该过程不具有热力学倾向性($\Delta G^{\circ} > 0$)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
At constant temperature and pressure, a process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

Whether a reaction is favorable, from the signs of the enthalpy and entropy change
Whether a reaction is favorable, from the signs of the enthalpy and entropy change

Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ/(mol K)}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

探索

自由能与温度的关系

ΔG = ΔH - TΔS is a straight line in temperature. Where it crosses zero, the reaction turns favourable.

词汇 训练
English 中文 拼音
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ 吉布斯自由能 jí bù sī zì yóu néng
thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/ 热力学有利 rè lì xué yǒu lì
9.4

热力学控制与动力学控制

教学大纲

学习目标 9.4.A: 从动力学的角度解释,为什么一个在热力学上有利(favored)的反应可能无法以可测量的速率发生。

  • 9.4.A.1 许多在热力学上有利的过程不会以任何可测量的程度发生,或者发生的速率极其缓慢。
  • 9.4.A.2 那些在热力学上有利但无法以可测量速率进行的过程处于“动力学控制”之下。高活化能是导致过程受动力学控制的常见原因。一个过程没有以明显的速率进行,并不意味着该化学系统已经处于平衡状态。如果一个过程已知在热力学上是有利的,却仍以可测量的速率不发生,那么合理推断该过程是受动力学控制的。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

$\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy 活化能 (diamond → graphite). Thermodynamics 热力学 gives the direction; kinetics 动力学 gives the speed.

A reaction can be thermodynamically favoured yet slow when its activation energy is large
A reaction can be thermodynamically favoured yet slow when its activation energy is large
探索

热力学还是动力学?

Sort each idea by whether it is set by free energy or by rate.

词汇 训练
English 中文 拼音
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活化能 huó huà néng
Thermodynamics/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ 热力学 rè lì xué
kinetics/kɪˈnetɪks/ 动力学 dòng lì xué
9.5

自由能与平衡

教学大纲

学习目标 9.5.A: 利用 $K$、$\Delta G^{\circ}$ 和 $T$ 之间的关系,解释过程是否在热力学上有利。

  • 9.5.A.1 “热力学上有利”($\Delta G^{\circ} < 0$)是指在标准条件下,产物在平衡时占优势($K > 1$)。
  • 9.5.A.2 平衡常数与自由能的关系由以下方程给出:
    • 方程: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • 方程: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 可以通过估算对 $K$ 和 $\Delta G^{\circ}$ 之间的关联进行定性分析。当 $\Delta G^{\circ}$ 接近零时,平衡常数将接近 1。当 $\Delta G^{\circ}$ 远大于或远小于 $RT$ 时,$K$ 的值会显著偏离 1。
  • 9.5.A.4 $\Delta G^{\circ} < 0$ 的过程有利于产物(即 $K > 1$),而 $\Delta G^{\circ} > 0$ 的过程有利于反应物(即 $K < 1$)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Free energy links to the equilibrium constant 平衡常数:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

A battery converts free energy of a spontaneous redox reaction into electrical work
A battery converts free energy of a spontaneous redox reaction into electrical work
探索

自由能与 K

Link the sign of ΔG-standard to the size of K.

词汇 训练
English 中文 拼音
equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ 平衡常数 píng héng cháng shù
9.6

溶解的自由能

教学大纲

学习目标 9.6.A: 解释盐的溶解度与溶解过程中发生的焓变和熵变之间的关系。

  • 9.6.A.1 物质溶解的自由能变化($\Delta G^{\circ}$)反映了多个因素:维持固体结合的分子间作用力的破坏、溶剂围绕溶解物种的重排,以及溶解物种与溶剂之间的相互作用。对于这三个因素中每一个所对应的焓变和熵变贡献的符号及相对大小,都有可能进行估算。然而,由于上述三个因素相关的自由能之间存在相互抵消的情况,因此对溶解总自由能变化的预测可能颇具挑战。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving 溶解. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

探索

它会溶解吗?

Sort each case by whether dissolving is thermodynamically favourable.

词汇 训练
English 中文 拼音
dissolving 溶解 róng jiě
9.7

耦合反应

教学大纲

学习目标 9.7.A: 解释外部能源或偶联反应与其驱动热力学上不利过程的能力之间的关系。

  • 9.7.A.1 外部能源可用于使热力学上不利的过程发生。示例包括:
    • 9.7.A.1.i 电能驱动电解池或为电池充电。
    • 9.7.A.1.ii 光能驱动光合作用中二氧化碳转化为葡萄糖的整体过程。
  • 9.7.A.2 通过将生成目标产物的热力学不利反应与有利反应(例如生物系统中 $ATP$ 转化为 $ADP$)相偶联,可以形成所需的产物。在偶联体系中,各个反应共享一个或多个中间产物。各反应的总和产生一个总体反应,该反应实现了预期结果,且具有 $\Delta G^{\circ} < 0$。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling 偶联 it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate 中间体, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

Coupling an unfavourable reaction to a favourable one makes the total ΔG° negative
Coupling an unfavourable reaction to a favourable one makes the total ΔG° negative
词汇 训练
English 中文 拼音
coupling 偶联 ǒu lián
intermediate/ˌɪntəˈmiːdɪət/ 中间体 zhōng jiān tǐ
9.8

原电池与电解池

教学大纲

学习目标 9.8.A: 解释电化学电池的物理组件与其整体工作原理之间的关系。

  • 9.8.A.1 电化学电池的每个组件(电极、半电池中的溶液、盐桥、电压/电流测量装置)在电池的整体运行中发挥着特定作用。电池的运行特性(原电池与电解池的区别、电子流动方向、各半电池中发生的反应、电极质量的变化、电极处气体的产生、离子通过盐桥的流动)可以在宏观和微粒两个层面进行描述。
  • 9.8.A.2 原电池,有时也称为伏打电池,涉及热力学上自发的反应;而电解池涉及热力学上不自发的反应。原电池和电解池的图示是分析工具,用于识别半反应发生的位置以及电流流动的方向。
  • 9.8.A.3 对于所有电化学电池,氧化反应均发生在阳极,还原反应均发生在阴极。
    • 排除说明: AP 考试不会对电极标记为正极或负极进行测试。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
The galvanic cell

Redox reactions 氧化还原反应 can move electrons through a wire:

A galvanic cell with a salt bridge and voltmeter
A galvanic cell with a salt bridge and voltmeter
  • A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
  • An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

In both, oxidation 氧化 happens at the anode 阳极 and reduction 还原 at the cathode 阴极.

Commercial batteries: galvanic cells convert chemical free energy into electrical work
Commercial batteries: galvanic cells convert chemical free energy into electrical work
探索

Transfer electrons in a cell

在 galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other.

词汇 训练
English 中文 拼音
Redox reactions 氧化还原反应 yǎng huà huán yuán fǎn yìng
galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/ 原电池 yuán diàn chí
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ 电解池 diàn jiě chí
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
anode/ˈænəʊd/ 阳极 yáng jí
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
cathode/ˈkæθəʊd/ 阴极 yīn jí
9.9

电池电势与自由能

教学大纲

学习目标 9.9.A: 根据标准电池电势及电池内组成的半反应,解释电化学电池在热力学上是否有利。

  • 9.9.A.1 电化学涵盖了研究发生在电化学电池内的氧化还原反应。这些反应要么是热力学上有利的(产生正电压),要么是热力学上不利的(产生负电压,需要外加电势才能使反应进行)。
  • 9.9.A.2 电化学电池的标准电池电势可以通过确定氧化和还原半反应及其各自的标准还原电位来计算。
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$(标准吉布斯自由能变)与其构建的氧化还原反应的电池电势的负值成正比。因此,具有正 $E^{\circ}$ 的电池涉及热力学上有利的反应,而具有负 $E^{\circ}$ 的电池涉及热力学上不利的反应。
    • 公式: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials 标准还原电势 ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant 法拉第常数. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction under standard conditions.

The electrochemical series of standard electrode potentials
The electrochemical series of standard electrode potentials

Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
It is positive, so the reaction is spontaneous 自发的 and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

探索

电池电势与自由能

A positive cell potential means a negative ΔG - a spontaneous cell. They are proportional.

词汇 训练
English 中文 拼音
cell potential/sel pəˈtenʃl/ 电池电势 diàn chí diàn shì
standard reduction potentials 标准还原电势 biāo zhǔn huán yuán diàn shì
Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ 法拉第常数 fǎ lā dì cháng shù
spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 自发的 zì fā de
9.10

非标准条件下的电池电势

教学大纲

学习目标 9.10.A: 解释偏离标准电池条件与电池电势变化之间的关系。

  • 9.10.A.1 在非标准条件下,实际系统中的电池电势会随活性物种的浓度而变化。电池电势是趋向平衡的驱动力;反应离平衡越远,电池电势的绝对值越大。
  • 9.10.A.2 勒夏特列原理等平衡论点不适用于电化学系统,因为这些系统本身并不处于平衡状态。
  • 9.10.A.3 标准电池电势 $E^{\circ}$ 对应于 $Q = 1$ 的标准条件。随着系统接近平衡,电池电势的绝对值减小,在平衡时降至零(此时 $Q = K$)。使电池比 $Q = 1$ 时更远离平衡的条件偏离,会使电池电势的绝对值相对于 $E^{\circ}$ 增大;使电池比 $Q = 1$ 时更接近平衡的条件偏离,会使电池电势的绝对值相对于 $E^{\circ}$ 减小。对于浓差电池,可以通过考虑达到平衡所需的方向来确定自发电子流动的方向。
  • 9.10.A.4 仅使用能斯特方程进行算法计算不足以证明对非标准条件下电化学电池的理解。然而,学生应定性地理解浓度对电池电势的影响,并利用概念推理来解决问题,包括对能斯特方程的定性应用:
    • 方程式: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier's principle 勒夏特列原理 predicts.

探索

非标准电池电势

Using the Nernst equation, sort each change by its effect on the cell potential.

词汇 训练
English 中文 拼音
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ 能斯特方程 néng sī tè fāng chéng
Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ 勒夏特列原理 lè xià tè liè yuán lǐ
9.11

电解与法拉第定律

教学大纲

学习目标 9.11.A: 根据电化学电池中反应物和产物的量变化,计算电荷流量。

  • 9.11.A.1 可以利用法拉第定律确定电化学电池中发生的氧化还原反应的化学计量关系,具体包括以下内容:
    • 9.11.A.1.i 转移的电子数
    • 9.11.A.1.ii 沉积在电极上或从电极上去除的材料质量(如电镀)
    • 9.11.A.1.iii 电流
    • 9.11.A.1.iv 经过的时间
    • 9.11.A.1.v 离子物种的电荷
    • 公式: $I = q/t$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Electrolysis

In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the electron ratio in the half-reaction 半反应 to get moles (and mass) of product.

Electrolysis: ions move to the electrodes and are discharged
Electrolysis: ions move to the electrodes and are discharged

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Common mistakes.

  • Mixing units in $\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ$. $\Delta S^\circ$ is usually given in J/(mol K) and $\Delta H^\circ$ in kJ/mol: convert one of them before you subtract.
  • Saying a thermodynamically favorable reaction is fast. $\Delta G^\circ < 0$ says nothing about the rate; a high activation energy can keep it under kinetic control.
  • Multiplying a reduction potential by the coefficient in the balanced equation. $E^\circ$ is an intensive property, so it is not multiplied; only $n$ in $\Delta G^\circ = -nFE^\circ$ changes.
  • Thinking the anode is always negative. Oxidation always happens at the anode; it is negative in a galvanic cell but positive in an electrolytic cell.
  • Sending electrons through the salt bridge. Electrons move only through the external wire; ions move through the salt bridge to keep each half-cell neutral.
  • Getting the sign link between $K$ and $\Delta G^\circ$ wrong. $\Delta G^\circ = -RT\ln K$: $K > 1$ goes with $\Delta G^\circ < 0$ and $E^\circ_\text{cell} > 0$.
探索

Electrolyse a molten salt

电解 uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited.

词汇 训练
English 中文 拼音
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 电解 diàn jiě
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ 法拉第定律 fǎ lā dì dìng lǜ
half-reaction 半反应 bàn fǎn yìng
9.11

考试技巧

English
  • A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
  • Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
  • Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
  • In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
  • In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).

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