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MCAT物理:促能反应和促能反应

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例子问题

问题61:热化学和能量学

沸点是液体开始转变为气态所需要达到的温度。露营者和徒步旅行者在旅行中准备食物时，必须考虑到随着海拔上升而产生的大气压力差异。在上升过程中，大气压力的降低改变了水沸腾的温度。

使问题更加复杂的是，观察到在纯液体中加入溶质也会改变沸点。拉乌尔定律可以用来理解沸点的变化，如果存在不挥发性溶质，如这里所示。

$\LARGE P = X_{solv} * P_{solv}$

在这条律法中， $\small X_{solv}$ 是溶剂的摩尔分数， $\small P_{solv}$ 纯溶剂的蒸汽压，和是溶液的蒸汽压。当这个蒸气压等于当地的大气压时，溶液沸腾。

一位科学家正在研究溶液化学以更好地了解蒸汽压。他发现，对于他创造的一种溶液，在溶质完全溶解后，烧杯摸起来是凉的。下面哪个选项是正确的?(注:烧杯、溶质和溶剂是系统，宇宙的其余部分是环境)

可能的答案:

它只有在低温下才能自发形成

只有溶解降低了系统的熵，它才会自发形成

它不会自发形成

它只有在高温下才能自发形成

它总是自发形成的

正确答案:

它只有在高温下才能自发形成

解释：

溶质在溶剂中的溶解行为是熵的局部增加，将单个分子转化为多个离子。从周围环境(冷却烧杯)吸收热量表明这是吸热溶解。我们可以通过吉布斯自由能方程来计算可能的答案。

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$

为了是自发的，反应必须有负的吉布斯自由能。要做到这一点，一个反应可能有负的焓(放热)和正的熵，但是我们知道这个反应有正的焓(吸热)和正的熵。如果有正电荷，反应就会自发进行 $\Delta S$ 一个正的 $\Delta H$ 只有在温度高的时候。

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例子问题1:能激反应和能激反应

一位科学家正在研究一种反应，他把反应物放在室温下的烧杯里。反应继续进行，她通过核磁共振分析产物。根据核磁共振读数，她确定反应过程如下:

$NH_{4}^{+}(aq) + NO_{2}^{-}(aq) \rightarrow N_{2}(g) +2H_{2}O(l)$

为了更好地理解反应过程，她改变反应物的浓度，研究反应速率的变化。下表显示了她在三个实验试验中修改后的反应浓度。

$\begin{matrix} Trial & [NH_4^+] & [NO_2^-] &Rate \\ 1& 0.480M &0.120M &0.018\frac{M}{s} \\ 2& 0.240M & 0.120M& 0.009\frac{M}{s}\\ 3& 0.240M& 0.360M & 0.027\frac{M}{s} \end{matrix}$

假设通道中的正向反应是放热的，并且有一个 $\Delta S$ 的价值 $\small 15\frac{J}{mol}$ ．下面哪个选项是正确的?

可能的答案:

这种反应从来不是自发的

反应总是自发的

反应只有在低温下才自发

反应只有在高温下才自发

反应的自发性是无法预测的

正确答案:

反应总是自发的

解释：

这个问题指明了这个反应是放热的，而且随着反应的进行，它的局部熵有一个正的增加。这意味着焓变是负的而且熵变是正的。

对于自发反应，吉布斯自由能必须是负的。

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

如果焓是负的，熵是正的，温度就无关紧要了吉布斯自由能总是负的。

$\Delta G=(-)-T(+)=-$

反应在任何温度下都是自发的。

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问题61:热化学和能量学

对于“反应A” $\Delta H^o$ 是+300kJ和 $\Delta S^o$ -98 j。在下列哪种条件下反应是自发的?

可能的答案:

温度适中，压力大

反应总是自发的

低的温度

反应不可能是自发的

高温

正确答案:

反应不可能是自发的

解释：

反应的自发性由吉布斯自由能方程决定。

$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$

这里，H是一个正数，S是负数，这意味着G永远是一个正数。T的单位是开尔文，不可能是负的。吉布斯自由能为正的反应绝不是自发的。

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问题241:Gre科目考试:化学

吉布斯自由能的变化方程如下。

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

ΔH =焓变

ΔS =熵变

下列哪一种情况能保证非自发反应?

可能的答案:

当ΔH为负，ΔS为正

当ΔH为正，ΔS为负时

当ΔH为正数，ΔS为正数时

当ΔH为负，ΔS为负

正确答案:

当ΔH为正，ΔS为负时

解释：

ΔG(吉布斯自由能)的正值将保证非自发反应。当ΔH(焓)为正，ΔS(熵)为负时，吉布斯自由能的变化一定是正的，因此是非自发的。

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

$\Delta G=(+)-T(-)=(+)+(+)=+$

因为T(温度)总是正的，负的熵和正的焓总是得到正的吉布斯自由能。

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例子问题1:能激反应和能激反应

吉布斯自由能的变化方程如下。

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

ΔH =焓变

ΔS =熵变

哪种情况下反应是自发的?

可能的答案:

所有这些情况都会导致自发反应

当ΔH和ΔS都为正且T值高时

当ΔH和ΔS都为负且T值较低时

当ΔH为负，ΔS为正时

正确答案:

所有这些情况都会导致自发反应

解释：

以下所有情况都会导致自发反应，因为每种情况都会导致负吉布斯自由能(-ΔG)。

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$

负焓，正熵:

$\Delta G=(-)-T(+)=(-)+(-)=-$

高温时的正焓熵:

$\Delta G=(+)-(+++)(+)=(+)+(---)=-$

低温时的负焓熵:

$\Delta G=(-)-(+)(-)=(-)+(-)=-$

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问题91:生物化学，有机化学和其他概念

下面哪一种情况描述了平衡反应?

可能的答案:

当正向速率为0M/s时

当 $\DeltaH$ $\Delta H$ 等于 $T\Delta S.$

当焓等于熵时

当吉布斯自由能为负时

正确答案:

当 $\DeltaH$ $\Delta H$ 等于 $T\Delta S.$

解释：

根据吉布斯自由能方程，当系统处于平衡时 $\Delta G$ 等于0。

自 $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$ 时，系统处于平衡状态 $\Delta H = T\Delta S$ ．负的吉布斯自由能意味着反应是自发的。在平衡状态下，正向反应速率等于反向反应速率，尽管净速率为零。

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