标准摩尔熵(standard molar entropy)是一个
热力学和化学名词,指在标准状态下,1摩尔纯物质的规定熵。通常会用So的符号来表示。0K时,纯固体和纯液体的熵值等于零,仅仅是热力学中的规定,它没有涉及原子核内微观粒子状态的变化。在标准状态下,1mol物质的熵称为该物质的标准摩尔熵。
体系的混乱度与熵
所谓体系的混乱度,就是指体系内部所有物质微粒(包括分子、原子、离子、电子、原子核、原子团,以及由这些基本粒子组成的更大的集合体、团粒等)所处状态的混乱程度。这是与这些微粒的排列有序性相反的一个概念。 熵是人们用来描述、表征体系混乱度的函数。或者说,熵是体系混乱度的量度。体系的混乱度越大,熵值也越大,反之亦然。而体系的混乱度是体系本身所处的状态的特征之一。指定体系处于指定状态时,其混乱度也是确定的,而如果体系混乱度改变了,则体系的状态也就随之有相应的改变。因此,熵也和热力学能、焓等一样,具有
状态函数的特性,熵也是一种状态函数。
热力学第三定律与物质的规定熵
热力学第三定律是在很低的温度下研究凝聚体系的
熵变的实验结果所推出的结论。它解决了如何通过实验测求规定熵的问题。
热力学第三定律有好几种表述方法,这些表述方法字面上虽然各不相同,但其内容实质具有一定的联系和等效性。对热力学第三定律的一种基本表述为:“不能用有限的手续把一个物体的温度降到
绝对零度”。而
化学热力学中最普遍采用的表述为:“在绝对零度时任何纯物质的完整晶体的熵等于零”。这里所谓完整晶体是指晶体中的原子或分子都只有一种排列形式。热力学第三定律的内容与熵的概念是一致的。在绝对零度时,纯物质的完整晶体中,所有的微粒都处于理想的
晶格结点位置上,没有任何热运动,是一种理想的完全有序状态,自然具有最小的混乱度,所以其熵值为零。根据热力学第三定律So=0,利用热力学的方法,热化学测量,可以求得纯物质的完整晶体从绝对零度加热到某一温度T的过程的
熵变△S(T),(真正的完整晶体和绝对零度都是达不到的,实际上用在相当接近这一理想状态的条件下得到的实验结果外推后,用图解积分的方法求得的)。
因为:△S(T)=ST—S0,而S0=0,所以ST=△S(T),即用上述方法测得的熵变△S(T),就等于在温度T时,该物质的熵值,称为该物质的规定熵。由此可定义:
在
标准状态下,1mol纯物质的规定熵,即为该物质的标准摩尔规定熵,简称物质的标准熵。以Sm(-)表示,单位是J·K-1·mol-1。 应该注意,任一种稳定单质的规定熵和标准熵值都不为零。这是与物质的标准
生成焓不同之处。
化学反应的标准摩尔熵变
对于化学反应而言,若反应物和产物都处于
标准状态下,则反应过程的熵变,即为该反应的标准熵变。当
反应进度为单位反应进度时,反应的标准熵变为该反应的标准摩尔熵变,以△rSm(-)表示。与反应的标准
焓变的计算相似,化学反应的标准摩尔熵变,可由生成物与反应物的标准熵求得。对于反应 aA+Bb=pC+qD,有
△rSm(298K)=p×Sm(C)+q×Sm(D)-a×Sm(A)-b×Sm(B)
例3、 计算反应 203(g)=302(g)在298K时的△rSm一。
【解】 查表得 Sm(-)(O2,g)=205.1 J·mol-1·K-1
Sm(-)(O3,g)=238.9 J·mol-1·K-1
△rSm一(298k)=3 Sm(-)(O2,g)-2 Sm(-)(O3,g)=3×205.1-2×238.9=137.5 J·mol-1·K-1
答 该反应的标准摩尔熵变为137.5J·mol-1·K-1
熵变和反应方向
对于孤立体系而言,在其中发生的任何反应变化必然是自发的。
热力学第二定律告诉我们:在孤立体系中发生的任何变化或化学反应,总是向着
熵值增大的方向进行,即向着△S孤立>0的方向进行的。而当达到平衡时△S孤立=0,此时熵值达到最大。
如果不是孤立体系,则可以把体系与其周围的环境一起作为一个新的孤立体系考虑,
熵增原理仍然是适用的。由此可以得出,
自发反应是向着(△ S体系+△S环境)>0的方向进行的。大家知道,在
常压下,当温度低于273K时,水会自发地结成冰。这个过程中体系的熵是减小的,似乎违背了熵增原理。但应注意到,这个体系并非孤立体系。在体系和环境间发生了热交换。从水变成冰的过程中体系放热给环境。环境吸热后
熵值增大了,而且环境熵值的增加超过了体系熵值的减小。因而体系的
熵变加上环境的熵变仍是大于零的,所以上述自发反应是符合热力学第二定律的