1定義

化學勢(Chemical potential ):化學勢就是吉布斯自由能對成分的偏微分,化學勢又稱為偏摩爾勢能。偏摩爾量都是系統的強度性質,強度性質在物理化學中常寫成偏微商的形式.
一種物質A被添加到另一種物質B中,混合物的自由能G可以表示為:
G= XAGA+ XBGB+ ΔGmix
其中:XA和XB分別為物質A、B的含量,GA 和GB分別為物質A、B的吉布斯自由能。
而 ΔGmix=ΔHmix- TΔSmix
對於理想固溶體而言,系統中兩物質的體積以及內能均保持不變,因此焓變為零,即ΔHmix=0,統計熱力學給出混合熵的公式為:
ΔSmix=-R(XAlnXA+ XBlnXB)
因此,混合后系統的吉布斯自由能為:
G = (GA + RT lnXA) XA + (GB +RT lnXB) XB
物質A、B的化學勢uA, uB就分別等於:
uA = GA + RT lnXA
uB = GB + RT lnXB
因此,混合后系統的吉布斯自由能可以用化學勢表示成:
G= uA XA + uB XB
從微分學理解,化學勢就是吉布斯自由能對成分的偏微分
uA=(ΔG/ΔnA) T,P,nB=常數
所以,化學勢又稱為偏摩爾勢能。

2簡介

1摩爾化學純物質的吉布斯函數,通常用符號μ表示。如以G表示熱力學系統的吉布斯函數,n表示系統中物質的摩爾數,則
化學勢
對於多元系,以ni表示第i組元的摩爾數,則第i組元的化學勢μi表示在溫度T、壓強E及其他組元的摩爾數nj不變的條件下,每增加1摩爾i組元時,系統的吉布斯函數的增量:
化學勢
化學勢在處理相變和化學變化的問題時具有重要意義。
在相變過程中,由於物質在不同組元間的轉移是在恆溫和恆壓下進行的,故可以通過比較兩相中物質化學勢的大小來判斷物質在各組元間轉移的方向和限度,即物質總是從化學勢較高的相轉移到化學勢較低的相。當物質在兩相中的化學勢相等時,則相變過程停止,系統達到平衡態(見相和相變)。
μμ分別代表第i組元在α相和β相中的化學勢,則當
化學勢
時,第i組元物質即由α相進入β相。當
化學勢
時,兩相中第i組元物質達到平衡。可見,物質在兩相中的化學勢不同,是發生相變的條件。
對處在恆溫和恆壓條件下的化學反應,可用化學勢來標誌化學反應自發進行的方向。如果多元單相系的化學反應在溫度和壓強不變的情形下進行,系統的總吉布斯函數的改變是
化學勢
式中Δni為反應中各組元摩爾數的改變數。平衡態的吉布斯函數最小,則有ΔG=0,即
化學勢
一般情況,化學反應可以寫成
化學勢
式中Ai代表反應物類型(即組元),vi代表反應方程中反應物的係數。正係數指生成物,負係數指反應物。此時Δni,滿足下面關係
化學勢
式中ε為任意無窮小量。於是平衡條件可以寫成
化學勢
如果條件(4)不滿足,則平衡不成立,於是發生反應。反應進行的方向必使吉布斯函數減少,即
化學勢
由此可知,如果
化學勢
則反應正向進行(ε>0);如果
化學勢
則反應逆向進行(ε﹤0)。由於μi在決定化學反應進行方向上的作用,故稱它為化學勢。
為什麼生物系統中化學勢可以用亥姆霍茲自由能? 化學勢就是吉布斯自由能對成分的偏微分,化學勢又稱為偏摩爾勢能。偏摩爾量都是系統的強度性質,強度性質在物理化學中也常可以寫成偏微商的形式,比如溫度T=dE/dS。若在恆壓下將分子依次加入系統,為驅動其中每一個分子,需要完全相同的努力,此過程體積變大而系統的密度和壓強保持不變,這樣單個分子的熱力學狀態可以用吉布斯自由能G除以分子數N來恰當描述:μ=G/N,式中μ為化學勢,N為分子的摩爾數。在低壓下,液體或固體中或生物系統中,亥姆霍茲自由能F≈G,故μ≈F/N。

3完整形式

等T、p下,大量系統中除B組分外保持其它組分的數量不變時加入1mol物質B所引起的系統廣度性質的改變數。我們把T=dE/dS代入,完整寫成微分的形式為:
化學勢

4差異性

物理學
化學與生物中討論的化學勢都是在粒子數守恆的情況下,而在粒子物理學中存在粒子數不守恆現象。對光子由於粒子數不守恆,因而對粒子數N沒有要求,所以光子的化學勢為0。我們可以把物理化學中的自由能換成基態能量,N+1個粒子的基態能量減去N個粒子基態能量就是其化學勢。由於費米子遵從不相容原理,每個量子態只能容納一個粒子,那麼T=0K時,其費米能級就是平衡態的化學勢。
物理意義
恆溫恆壓條件下,在指定組成的無限大體系中,加入1mol的B物質引起體系的Gibbs能的改變。也就是說,在指定條件下1mol的B物質對體系的G的貢獻。化學勢是強度性質,狀態函數。
適用範圍
化學勢的適用範圍是氣體、液體,但對於固體而言,由於引入一種物質,系統的原有物質不可能保持恆定,即內能和體積將會相應發生改變,此時,化學勢需要做出相應修正,用擴散勢代替。
上一篇[雷頓東方]    下一篇 [成礦系列]

相關評論

同義詞:暫無同義詞