计算吉布斯自由能

结晶学及矿物学

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gibbs自由能_gibbs自由能公式

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作用在单位长度界面上使相界面收缩的力（或沿表面切线方向，垂直作用在单位长度相界面上的表面收缩力）

不仅要知道温度，还要知道各个物质浓度或者气体分压

G=H-TS

G为gibbs自由能，H为焓，S为熵，T为温度

也可通过凡特霍夫方程来求解，

ΔG=ΔGo+RTlnQ

平衡态时ΔG=0，ΔGo=-RTlnK

所以ΔG=-RTlnK+RTlnQ=RTln(Q/K)，Q为反应商，K为标准平衡状态下的Q值

若ΔG<0,则能自发正向进行

这里不仅需要知道温度，还要知道各物质的浓度

矿物的变化（一）吉布斯自由能与矿物的稳定性

例如，自然界中，钾长石（K[AlSi3 O8 ]）的同质多象变体有：高透长石（Sanh）、低透长石（Sanl）（从 Sanh 到 Sanl，有序度δ可在0.0～0.5 范围内变化）、正长石（Or，δ=0.5～0.7）、中等微斜长石（Miinter，δ=0.7～0.9）和微斜长石（Mimax，δ=0.9～1.0）。钾长石的同质多象转变，除主要取决于温度外，还与冷却速度（即作用的时间）密切相关（图15-7）。

自然界的矿物及其共生组合，是天然的物理化学体系的产物，它们的存在、变化及特点，必然受自然界物理化学规律的制约。

③一个放热的熵减少的反应，降低温度，有利于反应自发进行。 △H＜0，△S＜0，要保证△G＜0，T要降低。

由热力学理论知，自然界中所有的自发过程，必然伴随着一个大于或等于零的熵的变化，朝着自由能减小的方向进行，其物质的转移是向着化学位降低的方向进行。体系趋向于自由能的状态。

吉布斯自由能（Gibbs free energy）是温度、压力的函数。当温度、压力改变时，其自由能必然会发生变化，组分的化学位也随之而变，体系中相的组成也必将向着使总自由能小的方向变化，从而达到新的平衡态。例如，自然界中文石会自发地变为方解石，其重要原因之一即是方解石的吉布斯自由能（G）比文石的自由能小。

体系或相的吉布斯自由能可表示为：

式中：H和S分别为体系或相的焓（enthalpy）和熵（entropy），T为温度。

自发过程中吉布斯自由能的改变量为：

由于在标准状态（25℃，1×105Pa）下，方解石（Cc）和文石（Arag）的焓和熵分别是：

所以，文石→方解石的变化过程中焓变ΔH°和熵变ΔS°分别为：

因此，文石变为方解石时，吉布斯自由能的改变量为：

即文石变为方解石，其吉布斯自由能减小，是自由能降低的转变过程，故方解石比文石更为稳定。

顺便再提一下，作为翡翠主要成分的硬玉矿物，化学成分很纯的硬玉与混有少量透辉石固溶体成分的不纯硬玉相比，前者的吉布斯自由能要比后者大一些，此即自然界常见鲜绿色的透辉石翡翠，而白色的纯硬玉翡翠则少见的主要原因之所在。

（二）兰多理论

相变的兰多理论（Landau theory）系统计物理学的内容，它是近一二十年才被引入矿物学等物质科学中的，是用矿物的有序参数Q和过剩热力学函数：Ge（过剩自由能）、Se（过剩熵）和He（过剩焓），讨论矿物因温度的变化所发生的相变规律。

兰多理论的核心是矿物的有序参数Q这个广义的统计物理学概念，它指的是矿物相变过程中，矿物某些宏观性质的变化程度；定义高温变体的有序参数Q为0，低温变体的有序参数Q为1。相变中间阶段的变体之有序参数则为介于0和1之间的数值，是一个小数。

例如，高温黑云母的颜色是棕黑色，低温黑云母的颜色为绿色。前者的有序参数Q=0，后者Q=1。颜色介于棕黑色与绿色之间者，它们的Q为介于0和1之间的数值。

又如，高温堇青石属六方晶系，其xy面上的双折率为0，低温堇青石为斜方晶系，xy面上的双折率（Ng-Nm）为0.004。前者的Q=0，后者的Q=1。xy面上的双折率（Ng-Nm）值介于0与0.004之间的堇青石，其有序参数Q为介于0～1之间的数值。

矿物相变有如下三种类型：

（1）一级相变（first order transition）模型：

当T=Ttr时，Q由0跳跃至Q0：

当T＜Ttr时：

以上模型中，Ge为过剩自由能；Q为矿物有序参数；a，b，c为系数；T为矿物的平衡温度；Tc为矿物的二级、相变临界温度；Ttr为矿物的一级相变临界温度；Q0为Ttr时的跳跃有序参数；Se为过剩熵；L为潜热；He为过剩焓。

（2）二级相变（second order transition）模型：

在相变的三种模型中，一级相变临界温度Ttr较二、相变临界温度Tc高，系数a、b、c不随温度而变化，a总为正值。对于一级相变，b＜0，c＞0；二级相变中，b＞0，c=0；相变中，b=0，c＞0。

图15-6 兰多理论的相变模型

显然，在一级相变的转变点Ttr时，有序参数Q由0跳跃至Q0；而对二级、相变，在相变点Tc时，Q则是连续变至0。

一级相变的转变过程包括原子或离子之间键的破坏和重建。原变体键的破坏需要相当高的活化能，键被破坏后，原子或离子重新组合形成新的结构，同时变体的某些性质发生跃变，新变体的对称性与原变体对称性无关。因此，一级相变通常被称为重建式相变（reconstructive transformation），或称作结构重建的不连续相变（discontinuous transformation）。一级相变往往是缓慢且不可逆的。

二级相变不涉及化学键的破坏和重建，只是结构中原子或离子稍有位移，键角有所改变，原变体与新变体互为结构的畸变关系。晶体性质的变化是连续的，但对称性在相变点Tc处发生跃变。故二级相变又称为移位式相变（displacive transformation），或称结构畸变改造的连续相变（continuous transformation）。二级相变过程快速而可逆。

目前运用兰多理论研究多的是架状硅酸盐矿物，如长石类矿物。可以在非常宽广的温度范围里，讨论天然长石的相变行为；并与量热实验所得到的长石热力学数据充分地联系起来加以分析。

（三）矿物的变化

矿物及矿物组合的稳定性是由其相对自由能决定的，在一定的温度、压力下，具有自由能值的矿物及其组合是稳定的。

矿物形成以后，当其所处的物理化学条件改变至超出矿物的稳定范围时，矿物即会发生变化而形成新的矿物。

1.化学成分的变化

自然界的化学作用决定于环境。在开放体系，体系与环境存在着物质的交换，活性组分总是向着其化学位低的方向迁移，组分重新组合，形成新的矿物，从而使体系的总自由能。

当交代强烈时，原矿物可全部为新形成的矿物所替代，但仍保持原矿物的晶形，这种晶形称为象（pseudomorph）。如褐铁矿呈现黄铁矿象，称象褐铁矿。

（2）水化作用（hydration）：是指无水矿物因一定比例的水加入到矿物晶格中而变成含结晶水的矿物的作用。例如，硬石膏（Ca［SO4］）在近地表处，因外部压力的降低，受地面水的作用而转变为石膏（Ca［SO4］·2H2O）。

（3）脱水作用（dehydration）：是指含水矿物因失去其所含结晶水而变成另一种矿物的作用。如芒硝（Na2［SO4］·10H2O）在干燥气候下失去水分而转变为无水芒硝（Na2［SO4］）。

在封闭体系中，体系与环境之间只有能量的交换，而无物质上的交换，物理化学条件的改变促使矿物发生晶体结构的转变而化学成分保持不变。晶体结构的变化主要包括同质多象相变和多型相变等。

同质多象相变（polymorphic transformation）：是指当外界条件改变到一定程度时，同质多象各变体之间在固态条件下发生结构的转变。

通常，在矿物结晶过程中，质点总是倾向于按能量低的结合方式进入特定的结构位置，形成有序结构，以限度地降低自由能，然而，热扰动的存在及晶体的快速生长，却促使质点随机地占据任意可能的位置而形成无序结构。显然，无序结构因各处质点分布不同，能量有高有低，不是稳定的状态。故有序化是必然趋势。随着热力学条件的改变（温度的变化及降温的速度和时间是主要影响因素），有序变体与无序变体会发生相互转变。有序—无序相变往往是在达到一定的临界温度后，通过结构有序度的连续变化而在或长或短的时间内逐步完成的。一般地，当温度升高，可促使晶体结构从有序向无序转变，晶体对称程度增高，而温度缓慢降低，则有利于无序结构的有序化，晶体的对称性降低。

图15-7 钾长石的相变路线图

多型相变（polytypic transformation）：是指同种物质的不同多型之间的转变。通常属二级相变。

矿物晶体相变的研究，在探讨矿物的成因，了解矿物及其所在地质体的形成条件和演化历史，指导找矿，以及人工合成晶体材料等方面，均具有重要意义。

3.非晶化与晶化

相反，一些非晶质矿物，随着时间的推移，会逐渐变为结晶质矿物，这种作用称为晶化（crystallizing）。如胶体矿物逐渐脱水而老化（ageing）变为隐晶质甚至显晶质矿物的胶体结晶作用（collocrystallization），例如蛋白石逐渐脱水而转变为玉髓和石英。

图15-8 金刚石的菱形十二面体凸晶

此外，矿物的变化还包括晶形的变化等。例如，矿物形成之后，受后来的溶液的溶蚀（corrosion），晶体几何凸多面体的角顶、晶棱变圆滑，逐渐向球状晶形过渡，形成凸晶（convex crystal）（图 15-8）。另外，溶液对晶体的溶蚀，还常常在晶面上围绕晶格缺陷进行，从而在晶面上形成一些规则形状的小凹坑，称为蚀象（etch figure）。蚀象的形状和取向符合晶体固有的对称性。因此，常利用蚀象（天然的或人工的）帮助确定晶体的真实对称。

自然界中矿物的变化极其复杂、方式多样。实际上，矿物的形成和变化都是物质运动的形式，具体的某个矿物只不过是物质在特定的物理化学条件下、在一定的时间和空间内处于暂时平衡状态下的一种存在形式，它将随外界条件的改变而不断地变化着。显然，新矿物的形成过程即是原矿物遭受破坏和变化的过程。因此，对矿物各种变化现象的研究，不助于了解矿物形成、演化的历史，而且可提供有关矿物成因的某些信息。

熵判据与吉布斯判据的区别？

熵判据的使用条件是在封闭且绝热的系统中；吉布斯函数判据的使用条件是在恒温、恒压、不做非体积功的条件下。

熵判据的公式为dS－δQ/T≥0，当系统经绝热过程由始态到终态时，系统的熵变不会小于0，在4、自由能变△G的的判断方法 △G＝△H－T△S绝热可逆过程中，熵变等于0；在绝热不可逆过程中，熵变大于0。

熵判据与反应方向的关系：

1、多数熵增加的反应在常温常压下均可自发进行。产生气体的反应、气体物质的量增加的反应，熵变都是正值，为熵增加反应。

参考资料来（1）交代作用（metati）：是指在地质作用过程中，已形成的矿物与熔体、溶液或气液的相互作用而发生组分上的交换，使原矿物转变为其他矿物的作用。交代作用是矿物化学上变化常见的一种，它首先沿矿物的边缘或裂隙进行。例如，在热液作用下，橄榄石易被蛇纹石所交代：源：

为什么Gibbs自由能减少的反应是自发的？

根据热力学第二当△H>0，△S>0时，需要在较高温度的条件下，才能自发进行。定律，只有孤立体系总熵增反应是自吉布斯函数的公式为G＝H－TS，用吉布斯函数ΔG的变化来判断过程进行的方向和限度。若ΔG＝0则说明系统达到平衡，ΔG＜0则说明过程能自发进行，ΔG>0说明过程不能自发进行。发的。等温等压下，体系墒变为deltaS体，环境熵变为-deltaH/T，总熵变deltaS孤=deltaS-deltaH/T>0。令G=H-TS，等温等压下，deltaG=deltaH-TdeltaS<0

吉布斯自由能是干嘛的?

例如，不同元素化合成各种各样的化合物，总结它们的定量关系得出质量守恒、定比、倍比等定律；建立新概念以说明有关的定律，该新概念又经实验证明为正确的，即成学说。例如，原子学说可以说明当时已成立的有关元素化合重量关系的各定律。

吉布斯称吉布斯自由能的功能，是一个重要的热力学参数，常用摹说，它被定义为：？

含、钍等放射性元素的晶质矿物，在放射性元素蜕变时放出的α-射线的作用下，其晶格遭受破坏，转变为非晶质矿物，此过程称为非晶化（non-crystallizing）或蜕晶作用（metamictization），这种变生非晶质的矿物称为变生矿物（metamict mineral）。例如含放射性元素的锆石常非晶质化而变为变生矿物水锆石。

G =üTS + PV = H TS

其中U是系统？的内部能量，T是温度，S是熵，p是压力，V是体积，H是焓。

吉布斯自由微分形式的能量是：

的dG = SDT + VDP +μdn

其中μ是化学势？

吉布斯自由的物理意义的能量是在等温压缩过程中的功率，除了外面所做的工作的体积变化，可从系统中获得。换句话说，在等温压缩过程中，除了在电源所作的体积变化，该系统只能在功率等于或小于吉布斯自由能降低之外完成。数学表示为：

如果没有体积变化所做的工作，也就是说，W = 0，上面的方程变成：

即，之前和之后的等温压缩过程中，吉布斯自由能不能增加。如果该过程是不可逆的，反应的吉布斯自由能始终朝着减少的方向。

应当指出的是，吉布斯自由能是一个广泛的量，物质的单位摩尔是化学势μ的吉布斯自由能。在教材的大学无机化学

有关具体内容和生物化学有，可用。

标准生成吉布斯自由能变与压强有关系吗？

（3）相变（tricritical transition）模型：

可以看得更清楚,△G只与物质性质、状这里，矿物的宏观性质，可以是光学性质，也可以是某些原子或离子（如Al/Si，Fe2+/Mg等）的占位性质；同样也可以是其他的物理性质和化学性质。态有关,R是常数，lnK是平衡常数的自然对数。确切的说是标准平衡常数与压强无关，只与温度有关。

其中△rGm是标准摩尔生成吉布斯自由能变，是由生成物和反应物的 标准摩尔生成吉布斯自由能相减得到的，而标准摩尔生成吉布斯自由能的定义是，标准态下，由稳定的纯态单质生成单位物质的量的某物质时的吉布斯自由能变。

无机化学在成立之初，其知识内容已有四类，即事实、概念、定律和学说。

用感官直接观察事物所得的材料，称为事实；对于事物的具体特征加以分析、比较、综合和概括得到概念，如元素、化合物、化合、化分、氧化、还原、原子等皆是无机化学初明确的概念；组合相应的概念以概括相同的事实则成定律。

吉布斯自由能表哪里查

相关内容：无机化学中公式△G =-RTlnK。

吉布斯自由能的变化等于什么？

△G=△H-T2、有些熵增加的反应在常温下不能自发进行，但在较高温度下则可自发进行。如碳酸钙的分解。△S。

大学物理化学中△G表示一个过程自由能的变化。G是Gibbs free energy的字母，表示吉布斯自由能。吉布斯自由能的变化可作为恒温、恒压过程自发与平衡的判据；ΔG叫做吉布斯自由能变，ΔG0逆方向自发进教科书的。根据查询吉布斯自由表相关资料显示，吉布斯自由表在教科书的查。吉布斯自由能（Gibbs free energy）在化学热力学中为判断过程进行的方向而引入的热力学函数。又称自由焓、吉布斯自由能或自由能。行，等温等压系的吉布斯自由能减小的方向是不做非体积功的化学反应进行的方向。任何等温等压下不做非体积功的自发过程的吉布斯自由能都将减少。

吉布斯自由能什么时候不变

影响表面张力的因素：物质本性；共存的相；温度。

在稳定温度下。根据吉布斯自由能信息查询得知，吉布斯自由能在稳定温度下不变。吉布斯自由能（Gibbs free energy）在化学热力学中为判断过程进行的方向而引入的热力学函数。

3、个别熵减少的反应，在一定条件下也可自发进行。如铝热反应在点燃的条件下即可自发进行。

纯物质的吉布斯自由能是多少

从变体间晶体结构的变化来看，同质多象相变又可分为重建式相变、移位式相变和有序—无序相变三种基本类型（详见“结晶学”部分）。

128.3kJ/mol。恒温恒压条件下，在指定组成的无限大体系中，加入1mol的B物质引起体系的Gibbs能的改变，纯物质的吉布斯自由能为128.3KJ/mol，在指定条件下1mol的B物质对体系的G的贡献。

②一个吸热的熵减少的反应，肯定是一个不自发的反应。

自由能的表达方法？

摩尔体积、熵和熵变的不连续性是一级相变的特征，其他类型的相变则未显示熵或体积的不连续性。

或（Qf表示反应系统的逸度商，Kθf为系统的热力学平衡常数）。通过比较Qf和Kθf数值的相对大小，即可获得ΔrGm< 0、ΔrGm= 0或ΔrGm> 0的结果，并可以此判断化学变化的方向。

在理想气体混合物系统中，由于Qf= Qp，Kθf= Kθp，化学反应等温式可表示为：

若Kθp> Qp可以通过gibbs方程求解ΔG=ΔH-TΔS,可查表得ΔH和ΔS,若ΔG<0则能自发正向进行，则ΔrGm< 0，表示正向反应自发进行；

扩展资料：

按照纯粹与应用化学联合会( IUPAC)的定义，吉布斯自由能或吉布斯函数是焓(H)减去热力学温度(T)和熵(S)的乘积，即G=H-TS，常称为自由能或自由焓。其 SI 单位为焦耳(J)。与其他热力学函数一样，G也具有状态函数的属性。

由于H未知故G的也是不可知的，但其变化量即ΔG只决定于系统的始态和终态，而与变化的具体途径无关。吉布斯自由能具有广泛的功能特性，如在等温、等压条件下可作为反应自发进行方向的判据，还具有狭义化学势、非膨胀功和狭义表面自由能等功能。这些功能特性往往都是以其改变量ΔG来体现的。