第一節 標準狀況
標準狀況

物質所處的狀態發生變化時,物質的焓是否會隨之改變呢?仔細觀察下面的三個互動,回答相應的問題並思考物質的焓與哪些條件有關。

從下面的三個動畫可以看出:物質的焓受到溫度壓強(氣體)以及物質形態的影響。因此,爲了方便比較不同反應的焓變,化學家們制定出一套量度焓變的標準條件,即標準狀況。具體要求如下:

  • 溫度:\(25{{\ }^{\text{o}}}\text{C}\ \left( 298\ \text{K} \right)\)
  • 壓強:一個大氣壓強 \(\left( \text{1}\ \text{atm} \right)\)
  • 物質狀態:標準態
  • 溶液濃度:\(1.00\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\)

思考一:溫度與焓的關係

溫度變化對物質焓的影響
燒杯中的水被加熱時,水的溫度會升高,最終變作水蒸汽。那麼,水溫升高的過程中,水所具有的焓將
  • 增加
  • 不變
  • 減少

題解:

水被加熱時,水會從外界吸收熱量,從而轉化為體系的焓。所以,水的焓增加。

壓強變化對物質焓的影響
向帶有活塞的密閉容器中通入一定質量的碘蒸氣,拉動活塞以改變密閉容器內氣體的壓強。
  • 向上拉動活塞時,體系的焓會
    • 增加
    • 不變
    • 減少
  • 向下推動活塞時,體系的焓將
    • 增加
    • 不變
    • 減少

題解:

  • 當向上拉動活塞時,體系的壓強降低,相當於體系對外作功,體系的焓降低;
  • 當向下推動活塞時,體系的壓強增加,相當於外界對體系作功,體系的焓增加。
根據生活中的常識,思考在室溫和大氣壓強的條件下,以下幾組物質的相對穩定性:
  • 水蒸汽         液態水
  • 空氣            液態空氣
  • 石墨            金剛石

題解:

在相同條件下,物質可能存在不同的形態。例如:室溫下,會同時存在液態水以及水蒸汽。但是它們的能量(焓)是不同的。只有處在「標準態」下,才是物質的最穩定狀態。

物質的標準態是指在 \(25{{\ }^{\text{o}}}\text{C}\) 及 \(\text{1}\ \text{atm}\) 條件下,物質最穩定的狀態。

  • 對於大多數物質而言,它們的標準態就是其處於 \(25{{\ }^{\text{o}}}\text{C}\) 及 \(\text{1}\ \text{atm}\) 條件下最穩定的物理狀態。例如,
    1. 水的標準態是液態水(\({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\));
    2. 氫或氧的標準態是氣態氫(\({{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\))或氣態氧(\({{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\));
    3. 金屬(例如金或銀)的標準態是固態金(\(\text{Au}\left( \text{s} \right)\))或固態銀(\(\text{Ag}\left( \text{s} \right)\))。
  • 有些元素會以不同的同素異形體存在;而有些化合物則以不同的多晶型物存在。此時就需要把該物質的最穩定的形態作為其標準態。
    例如,碳元素在自然界中有兩種常見的同素異形體——金剛石和石墨。而石墨是較穩定的形態。
標準反應焓變

顧名思義,標準反應焓變是指在標準狀況下,反應物按照反應式所展示的係數進行反應時的焓變,其符號為 \(\Delta H_{\text{r}}^{\rlap{-} o}\)。

例如,在標準狀況下,\(\text{2}\ \text{mol}\) 氫氣和 \(\text{1}\ \text{mol}\) 氧氣反應生成 \(\text{2}\ \text{mol}\) 液態水時,放出 \(571.68\ \text{kJ}\) 的熱,可以用下面的熱化學反應式來描述這個過程:

\[\text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ {{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \ \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \ \ \ \ \Delta H_{\text{r}}^{\rlap{-} o}\ =\ -571.68\ \text{kJ}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\]

仔細觀察下面兩個反應式之間的差異,思考兩者的焓變有甚麽關係。

\[\begin{align} & \text{a}\text{.}\ \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ {{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \ \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \ \ \ \ \Delta H_{\text{r}}^{\rlap{-} o}\ =\ -571.68\ \text{kJ}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}} \\ & \text{b}\text{.}\ \text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \ \text{4}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\ \ \ \ \ \Delta H_{\text{r}}^{\rlap{-} o}\ =\ -1143.36\ \text{kJ}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}} \\ \end{align}\]

對比兩個反應式可以看出:反應式 \(\text{a}\) 中各物質的係數是反應式 \(\text{b}\) 中各物質係數的一半,其對應的標準反應焓變也是反應式 \(\text{b}\) 的一半。

也就是說,當展示化學反應過程的反應式不同時,其對應的標準反應焓變會隨著參與反應的物質的摩爾數的改變而相應改變

氫燃燒過程的焓級圖
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