热力学变化过程方向的完整判据

目前物理化学教科书中的自发过程方向与限度判据,只能对常见自发过程作判断,不能对含有非体积功的各类过程做出判断。笔者从热力学第二定律的理论基础克劳修斯不等式入手,通过自发变化熵判据的演绎过程,找到了3个判据不完整性的原因所在,给出了完整方向性判据的解决方案。应用表明,完整的方向与限度判据可适用于各类热力学变化过程。     

自发过程总熵判据的讨论式教学实践

将讨论式教学法的基本思想应用到物理化学的课堂教学中,对物理化学的教学难点--热力学自发过程总熵判据的适用条件问题进行了深入的讨论,最终归纳总结,得出重要结论：总熵判据只能用来判断过程的可逆性,不能直接判断过程的自发性。要想进一步判断过程的自发性质,须结合系统与环境之间交换的总功进行判断。通过讨论式教学实践,学生对热力学自发过程总熵判据的适用条件有了更加深入的理解,给后续课程的学习打下了良好的基础。     

热力学第二定律之熵判据辨析

势力学第二定律的核心内容熵判据有多种形式,应用时常易造成混淆。在对熵判据多种形式的讨论基础上指出,熵判据原本只用于判断过程是否可逆,只有对隔离系统中的过程以及大隔离系统中的总过程,熵判据才可用于判断其能否自发。     

物理化学教学内容研究交流研讨会纪要

2015年4月16~17日,高等教育出版社在山东青岛组织召开了物理化学教学内容研究交流研讨会,就自发变化和可逆过程的定义、可逆与平衡、自发与不可逆的关系、环境熵和总熵、环境的热力学界定和总熵判据、反应的方向与限度等问题进行了研讨。本文是此次会议的纪要,希望对纠正物理化学教学中的一些偏颇甚至错误的认识有所裨益。     

浅谈信息量与物理化学中的熵及波函数的联系

信息量(I),熵(S),波函数(φ)是从不同领域提出的概念。熵出自热力学,它是孤立体系中某过程能否自发进行的重要判据。波函数在量子力学中用于描述体系的量子状态。信     

自发过程体系焓变与熵变的实验设计

利用乙酸钠过饱和溶液的结晶过程体现自发过程中熵变与焓变的趋势,并通过直观的实验现象及其解释为学生理解体系自发过程是否进行的判据提供认知经验。     

化学反应自发性的本质含义

结合了热力学第一、第二定律及范特霍夫等温方程,利用ΔrGm的正负来探讨“自发”一词的本质含义,并指出了高中化学教科书中对于“自发”一词的不当解释,以便在教学中更好地帮助学生将“平衡移动原理”与“化学反应进行的方向”有机结合,有利于学生化学知识体系的形成与核心素养的提升。     

不可逆何时等于自发?

将熵、吉布斯函数、亥姆霍兹函数3个判断过程可逆性或自发性的判据统一起来,指出＂不可逆＂和＂自发＂两个概念的区别与联系,并提出一种更具操作性的判断过程自发性的方法。     

核酸适体与互补核酸和目标蛋白之间竞争结合的热力学特性研究

以一种基于目标蛋白凝血酶的取代反应来研究核酸适体与互补核酸和核酸适体与目标蛋白之间竞争结合的热力学特性, 研究了核酸适体-互补核酸的解离反应和在目标蛋白存在下取代反应的平衡常数、标准焓变和标准熵变等热力学参数, 结果表明该取代反应是一个熵驱动的自发过程, 熵驱动从双链的核酸转变为核酸适体-目标蛋白的复合物. 该热力学研究会对核酸适体-互补核酸和核酸适体-凝血酶之间的结合过程的机理有一个更深的理解, 将有助于进一步揭示核酸与蛋白这两种生命中最关键物质之间的相互作用和关系, 为更好地理解基本的生物过程和预测设计适体生物传感器, 发展用于疾病诊断的方法有着重要的意义.     

对“化学反应进行的方向”的深度解析

从“化学反应原理”模块中的“化学反应进行的方向”一节,选出几个在教学中容易混淆的问题,从大学化学视角进行了解析。其中包括自发过程的概念,自发过程的方向和限度,过程自发性的判据以及引入自发过程概念的意义。     

Diels-Alder reaction mechanisms of substituted chiral anthracene: A theoretical study based on the reaction force and reaction electronic flux

Quantum chemical calculations were used to study the mechanism of Diels-Alder reactions involving chiral anthracenes as dienes and a series of dienophiles. The reaction force analysis was employed to obtain a detailed scrutiny of the reaction mechanisms, it has been found that thermodynamics and kinetics of the reactions are quite consistent: the lower the activation energy, the lower the reaction energy, thus following the Bell-Evans-Polanyi principle. It has been found that activation energies are mostly due to structural rearrangements that in most cases represented more than 70% of the activation energy. Electronic activity mostly due to changes in σ and π bonding were revealed by the reaction electronic flux (REF), this property helps identify whether changes on σ or π bonding drive the reaction. Additionally, new global indexes describing the behavior of the electronic activity were introduced and then used to classify the reactions in terms of the spontaneity of their electronic activity. Local natural bond order electronic population analysis was used to check consistency with global REF through the characterization of specific changes in the electronic density that might be responsible for the activity already detected by the REF. Results show that reactions involving acetoxy lactones are driven by spontaneous electronic activity coming from bond forming/strengthening processes; in the case of maleic anhydrides and maleimides it appears that both spontaneous and non-spontaneous electronic activity are quite active in driving the reactions.     

硅胶自水溶液中吸附丙酸和丁酸的计量置换吸附模型

实验研究了硅胶在293、303和313 K下,从水溶液中对丙酸和丁酸的吸附.发现该吸附服从液 固吸附中的计量置换吸附模型（SDM A）.根据吸附模型的线性参数研究了吸附热力学和吸附机理.该吸附是一个自发的、放热的熵减少过程.丁酸的标准吸附自由能比丙酸大,而标准吸附焓比丙酸小.推导出了实验条件下吸附自由能变化的计算公式.     

关于弯曲界面气液两相相平衡化学势相等热力学判据的讨论

Thermodynamic criterion of equal chemical potential for phase equilibrium between gas and liquid in curved interface has been introduced in many textbooks and papers. In this paper, the process of the derivation of the criterion is proved to be wrong with analysis. In order to solve the problem, a proof procedure for the thermodynamic criterion of equal chemical potential is provided based on the definition of chemical potential. At the same time, a new thermodynamic criterion of two-phase equilibrium in curved interface is established using Gibbs interface thermodynamics and a new method for derivation of Kelvin equation is put forward based on the thermodynamic criterion of two-phase equilibrium. The new criterion which is derived directly from the second law of thermodynamics has a specific thermodynamic significance and clear physical model.     

还原态氧化石墨烯对Zn(Ⅱ)的吸附动力学与热力学

以乙二胺(EDA)还原氧化石墨烯(GO)制得一种吸附材料,即还原态氧化石墨烯(RGO)。 采用批量平衡法研究了RGO对Zn(Ⅱ)的吸附动力学与热力学,利用Lagergren准一级及准二级动力学方程、Langmuir和Freundlich等温方程对实验数据进行了拟合分析。 研究结果表明,Lagergren准二级吸附动力学模型能够较好地描述实验结果,表明该吸附过程以化学吸附为主。 RGO的吸附在所研究的Zn(Ⅱ)浓度范围内更符合Langmuir等温吸附经验式,ΔH0=-21.60 kJ/mol,吸附焓变小于零,表明该吸附为放热过程;吸附吉布斯自由能变化ΔG0为正值,表明该吸附是一个非自发的过程。     

多氯联苯分子结构参数与色谱焓、熵变化的定量关系

 通过理论分析与研究,提出了描述多氯联苯(PCBs)氯原子数目与取代位置有关的分子拓扑指数结构参数JG以及描述多氯联苯分子中氯原子之间相邻关系的分子拓扑指数邻接参数LJ,并推导出PCBs在色谱过程中的焓变(ΔH)、似溶解熵变(ΔS′)与结构参数JG、邻接参数LJ的关系式。在DB-1,DB-5,DB-1701等3种固定相上测定了140余种PCB的ΔH、ΔS′数值,并运用所推导出的关系式对ΔH和ΔS′进行了预测,收到良好的效果,ΔH和ΔS′的理论计算值与实验值的平均相对偏差分别为0.56%~0.97%和0.55%~1.06%，接近实验数据本身的相对偏差。     

苦味酸在聚酰胺树脂上的吸附热力学及动力学

在静态下,考察了温度对聚酰胺树脂吸附水溶液中苦味酸的影响,探讨了吸附的热力学、动力学规律.结果表明:温度对吸附的影响较小,等温吸附规律可用Freundlich或Langmuir方程表示;吸附过程为熵驱动的吸热、熵增的自发过程;属物理吸附范畴;吸附动力学规律可用q=aeb/t吸附速率方程表示,属颗粒内扩散控制.     

萃取精馏过程的非平衡态热力学分析

对萃取精馏过程进行了非平衡热力学分析,提出了分离过程得以进行的判据.推导出了熵产生的数学表达式,并可将其用于萃取精馏过程的节能分析.此项研究结果只适用于萃取精馏板式塔,且在非平衡热力学的线性区域内     

链式与面式两种不对称疏水结构表面活性剂之间的相互作用热力学

本文通过等温滴定量热法(ITC)、电导法和浊度法研究了阴离子生物表面活性剂脱氧胆酸钠(NaDC)及其与相反电荷的十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)在水溶液中的自组装热力学.ITC结果支持了NaDC在水溶液中先生成预胶束再形成稳定胶束的分步聚集模型,由此得到了NaDC的预胶束和胶束化过程的一系列热力学参数,并讨论了它们形成的热力学机理.进一步研究了具有头-尾链式和疏水-亲水刚性面式非对称结构的DTAB/NaDC混合体系的聚集热力学行为,得到了富NaDC临界混合胶束浓度(cmcmix)、富DTAB临界胶束浓度(CM)及对应过程的转变焓.结果表明,NaDC面式结构与DTAB链式结构的对称性差异以及相反电荷的相互作用,导致混合体系有别于单一表面活性剂或头-尾链式结构的混合体系的聚集行为.混合溶液的聚集行为受控于表面活性剂浓度和摩尔分数的变化.富NaDC胶束化过程为熵驱动,而富DTAB的两种胶束形态转变过程为熵焓共同驱动的热力学机理.这些结果对于从热力学角度认识胆汁酸盐的自组装机理以及与传统的头-尾链式结构的表面活性剂相互作用机理和相行为有重要的意义.     

Molecular behaviors of geometry deformation and electron transition in the photoluminescence procedure

In this paper, based on a comprehensive consideration of the natural principles of the molecular structure consisted of nuclei and electrons, the attractive interaction of particles with opposite charges, the Franck–Condon principle, the first and second laws of thermodynamics, and the electron-transfer selection rule, we draw the following basic rules for a molecular system in photoluminescence procedure: the electron transition (ET) and geometry deformation (GD) are two basic behaviors for a molecule; a couple of ET and GD generally belongs to a causal relationship following the order: an ET can be performed quickly with the photon absorption from ambient light perturbations, and a GD will be performed subsequently and slowly to satisfy the conditions of the ET occurred previously; the photon absorption event is a non-spontaneous process, and the other events are spontaneous processes; a molecule only exchanges energies with surroundings by molecular behaviors; a spin-allowed ET is directly related to the photon absorption or emission as a result of the ET behavior, and a spin-forbidden ET unrelated to lights leads to activation or deactivation for a PL molecule. Based on these basic principles and deduced rules, the detailed events and the correlations are designed naturally for the PL procedure. All the efforts are made to clarify the PL mechanism to promote the theories and applications of photofunctional materials.