| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.1.A |
|
热力学与电化学
AP 化学 · 第 9 主题
9.1
熵导论
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
熵(entropy)$S$ 测量能量和物质的分散——粗略地说,排列一个系统的方式数目。熵在一个物质经历 固体 → 液体 → 气体、当一个固体溶解、当气体摩尔增加,或当温度上升时增加。更多无序意味着更高的熵。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Entropy | 熵 | shāng |
9.2
绝对熵与熵变
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.2.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
每个物质有一个正的绝对熵 $S^\circ$。对于一个反应,
9.3
吉布斯自由能与热力学倾向性
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge | ||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
9.3.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
吉布斯自由能(Gibbs free energy)结合焓和熵:

Worked example. 一个反应有 $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ 和 $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$。它是吸热的(不利的焓)但熵增加,所以它只在足够热时才变得有利。令 $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ 并匹配单位($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Gibbs free energy | 吉布斯自由能 | jí bù sī zì yóu néng |
| thermodynamically favorable | 热力学有利 | rè lì xué yǒu lì |
9.4
热力学控制与动力学控制
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.4.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
$\Delta G<0$ 说一个反应能发生,不是它会快速发生。一个反应能热力学有利,却动力学地慢,因为一个高的活化能(金刚石 → 石墨)。热力学给出方向;动力学给出速度。
9.5
自由能与平衡
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.5.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
自由能联系到平衡常数:

9.6
溶解的自由能
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个盐是否溶解取决于溶解的自由能变化。溶解常常增加熵(有序的固体 → 分散的离子)但可能花费焓;$\Delta G$(因而 $K_{sp}$)的符号由 $\Delta H - T\Delta S$ 得出。
9.7
耦合反应
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.7.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个不利的反应($\Delta G>0$)能通过把它耦合(coupling)到一个共享一个共同中间体的有利的反应($\Delta G<0$)来驱动,只要和有 $\Delta G<0$。这就是细胞如何用 ATP 来驱动否则不利的过程。
9.8
原电池与电解池
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.8.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
氧化还原反应能通过一根导线移动电子:

- 一个原电池(伏打电池)(galvanic (voltaic) cell)用一个有利的反应($\Delta G<0$)来产生电——一个电池。
- 一个电解池(electrolytic cell)用电来迫使一个不利的反应($\Delta G>0$)。
在两者里,氧化在阳极(anode)发生而还原在阴极(cathode)发生。

Transfer electrons in a cell
In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| galvanic (voltaic) cell | 原电池 | yuán diàn chí |
| electrolytic cell | 电解池 | diàn jiě chí |
| anode | 阳极 | yáng jí |
| cathode | 阴极 | yīn jí |
9.9
电池电势与自由能
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.9.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
电池电势(cell potential)$E^\circ_{\text{cell}}$ 以伏特测量驱动力,从标准还原电位求出($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$)。它通过以下与自由能联系

Worked example. 一个电池把一个铜阴极($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$,$E^\circ=+0.34\ \text{V}$)与一个锌阳极($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$,$E^\circ=-0.76\ \text{V}$)配对。电池电势是
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| cell potential | 电池电势 | diàn chí diàn shì |
9.10
非标准条件下的电池电势
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.10.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
离开标准条件,电势随浓度移动——能斯特方程(Nernst equation)(定性地):随着反应物被消耗,$Q$ 上升而 $E_{\text{cell}}$ 下降,在平衡处达到零(一个耗尽的电池)。改变一个浓度以勒沙特列预测的方式移动 $E_{\text{cell}}$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Nernst equation | 能斯特方程 | néng sī tè fāng chéng |
9.11
电解与法拉第定律
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
9.11.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在电解(electrolysis)里,通过的电荷决定多少物质被沉积或产生——法拉第定律(Faraday's law)。把 电流 × 时间 转换成电荷、电荷转换成电子的摩尔($F=96{,}485$ C/mol),然后用半反应的电子比来得到产物的摩尔(和质量)。

Worked example. 一个 $2.0\ \text{A}$ 的电流流过硫酸铜(II)($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$)$30\ \text{minutes}$。沉积多少铜?电荷是 $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$,给出 $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ 的电子。因为每个 Cu 需要 $2$ 个电子,$0.0187\ \text{mol}$ 的 Cu 形成,质量 $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$。
Electrolyse a molten salt
Electrolysis 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.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| electrolysis | 电解 | diàn jiě |
| Faraday's law | 法拉第定律 | fǎ lā dì dìng lǜ |
9.11
考试技巧
- 一个过程热力学有利,当 $\Delta G<0$ 时;用 $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ 结合焓和熵(匹配单位——kJ vs J)。
- 熵在 固体→液体→气体 以及当产生更多气体摩尔时增加。
- 有利不意味着快——一个高的活化能能使一个 $\Delta G<0$ 的反应极其慢(动力学控制)。
- 在电化学里一个正的 $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ 意味着一个自发的(原电池)电池;氧化在阳极、还原在阴极。
- 在电解里通过的电荷($Q=It$)固定沉积的量(法拉第定律)。
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