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| 2011/11/22 18:36:34瀏覽420｜回應0｜推薦1 | |
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我們已經學會如何計算各種反應條件下的化學反應的自由能變化ΔG，舉例來說，用一氧化碳與氫氣合成甲醇的反應，計算結果顯示，5.0atm的CO(g)與3.0atm的H2(g)反應形成CH3OH(l)是自發性反應，這有什麼意義？
化學原理啟迪253
化學反應的ΔG的意義
The Meaning of ΔG for a Chemical Reaction
1.
我們已經學會如何計算各種反應條件下的化學反應的自由能變化ΔG，舉例來說，用一氧化碳與氫氣合成甲醇的反應，計算結果顯示，5.0atm的CO(g)與3.0atm的H2(g)反應形成CH3OH(l)是自發性反應，這有什麼意義？
2.
這是不是說，如果我們把壓力5atm的1mole CO(g)與壓力3.0atm的2.0molesH2(g) 混合放在細頸瓶中，就會產生1.0mole的CH3OH(l) ？答案是不會。
3.
不是說這是自發性反應嗎？為什麼會這樣？雖然1mole的CH3OH(l)的自由能低於5.0atm、1mole的CO(g)與3.0atm、2.0moles的H2(g) 是事實，但是整個反應過程中，系統存在著比1mole甲醇更要低的自由能的位置。
4.
簡單地說，系統藉由進入平衡狀態達到最低自由能的目標，而不是藉由反應完全來達到目標。系統達到平衡位置（達成平衡），反應進行的細頸瓶內還殘餘一些未反應的CO(g)與H2(g)。
5.
即使「1.0mole純CH3OH(l)」，與「5atm 、1mole CO(g)和3.0atm、2.0moles H2 (g)」相比，「1.0mole純CH3OH(l)」確實自由能比較低，但這個反應系統仍會停在產生少於1.0mole純CH3OH(l)的平衡位置，也就是反應還沒有完全就停下來了，那個停止點就是系統最低自由能的位置。
6.
我們將探討一個物理的例子來說明這個現象，圖(a)的球會滾落到B點。圖(a)是比喻物質狀態的改變。舉例來說，在25℃左右冰會自發性地完全溶解成水，因為整個反應過程，水的自由能最低，反應唯一選擇是停在液態水這個最低自由能位置，沒有任何中間產物的自由能比它還低。
7.
化學反應系統的情況就不同了，圖(b)的球沒有辦法達到B點，因為還有一個更低的位能在C點，就像球的運動模式，一個化學系統會追求可能達成的最低自由能the lowest possible free energy，也就是它的平衡位置。
8.
因此雖然特定反應的ΔG告訴我們，在某些反應條件下，反應會比較有利於移往反應物或產物，但這並不代表這個系統會進行反應變成純粹的產物（如果ΔG是負的），或是反應物完全保留不進行反應（如果ΔG是正的）。
9.
事實上，這個反應會自發性地進入平衡位置，這是系統能夠達到的最低自由能狀態。
n
翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical
Principles》
研究心得：
1.
「自由能G」是指「限制物質分子自由的能力」。
2.
反應的「自由能變化ΔG」是正的，代表限制反應物質分子自由活動的能量很強，組成分子的原子沒辦法重新組合變成新的物質，反應無法進行；
3.
反應的「自由能變化ΔG」是負的，代表限制反應物質分子自由活動的能量很弱，組成分子的原子會自發性地重新組合成新的物質，反應會自發性地進行。
4.
但是，一個反應的「自由能變化ΔG」是負的，不代表反應物質會完全變成產物，為什麼？因為「平衡狀態的自由能」比「產物的自由能」還低，這就好像圖(b)斜坡在抵達「產物B點」前，還有一個凹槽，這個凹槽代表自由能最低的平衡狀態。
5.
舉例來說，我們計算發現5.0atm的一氧化碳CO(g)與3.0atm的氫氣H2(g)反應形成甲醇CH3OH(l)是自發性反應；我們主觀認為，所有的反應物質CO和H2應該全都變成甲醇CH3OH(l)，但是事實並不是這樣。
6.
真正的結果是，一部份的CO和H2變成甲醇CH3OH，還有一部份的CO和H2保持原本的狀態，沒有起反應；CO、H2、CH3OH三種氣體並存混合的狀態，就是平衡狀態，也是最低自由能的狀態。
7.
因為「甲醇的能量位置」比「平衡狀態的能量位置」高，如果我們希望5.0atm的一氧化碳CO(g)與3.0atm的氫氣H2(g)能完全反應、通通變成甲醇CH3OH(l)，那就要增加密度，也就是縮小體積、增加壓力，或者增加熱能、催化劑等等，才能增強分子碰撞的力量，跨越「平衡狀態」到「產物」之間能量門檻。
8.
自由能變化ΔG提供的資訊是，在某些反應條件下，反應會比較有利於移往反應物或產物方向進行，但這並不代表這個系統會進行反應變成純粹的產物（如果ΔG是負的），或是反應物完全保留不進行反應（如果ΔG是正的）；事實上，反應會自發性地進入平衡位置，平衡狀態這是系統能夠達到的最低自由能狀態。
9.
台灣民主化以後，廢除黨禁、報禁，廢除萬年國代，開放言論自由、新聞自由，社會變得更公平正義，社會的自由能變化ΔG是負的，百姓應該人人追求獨立自主？但實際上並不是這樣。
10.
有些人變得獨立自主，追求頂尖的專業能力，變成台灣之光；但是有些人只想巴著權貴或派系不放，鞏固既得利益。這是台灣社會目前的平衡狀態，也是最低自由能狀態。
11.
巴結權貴或派系，分不法黨產，鞏固既得利益、擺爛，比較自由自在，約束人類言行的「自由能」比較低；學習專業技能，克服自己的弱點，需要忍耐、毅力、理性，比較不自由，約束人類言行的「自由能」比較高。
12.
由於人人獨立自主、擁有一技之長的社會產物，自由能的位置比較高，必須額外增加能量，增強每個社會分子的碰撞力量，才能跨越「平衡狀態」到「產物」之間的能量門檻。
13.
增加每個社會分子能量的方法包括：一、我們必須增加各級學校藝術與體育方面的專業訓練，讓每個學生五育均衡並重、文武雙全，人人有一技之長；二、我們應該讓記者與媒體主管有各種「證照制度」，要通過不同等級的證照檢驗，以確保新聞品質的專業。
14.
三、我們應該淘汰不適任的大學教授，聘請國外一流的學術大師到台灣任教，提升台灣的學術水準。四、立法委員也應該要有個公開、公平的考核標準，四年結算下來倒數的那五名立委，應該永遠退出政壇，這樣才能夠提升台灣的立法品質，提升立法效率，維護社會的法治與公平正義。
15.
至於資深司法官，我們人民就不用要求，因為他們的長官與大學教授，絕大部分都是獨裁者蔣經國踐踏人權的共犯，當黨國權貴的奴才已經養成了生活習慣，並且傳染給下一代，無論怎麼教育都不可能改變他們的奴性與知識水準，只能等他們自然死亡。
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