為什么能量越低越穩定?從熱力學,動力學角度解釋
能量越低越穩定這句話非常常見,卻很不準確。
只能用于初學者簡單理解,如想真正搞清楚,并在各種情況下都能正確運用,僅靠自己想象是很難的。首先,句子沒有明確的主語,被省去的主體是一個物體或系統(包括反應物和生成物構成的系統),而不是不同的物體或系統間的比較。
為簡明,以下一個物體或系統均簡稱為系統。第二,系統的能量越低越穩定中的能量一詞含糊其辭,沒有說清到底是什么能量。
這里的能量通常是采用吉布斯自由能G,或亥姆霍茲自由能F,但必須同時指出使用條件。準確的說法是:在一定溫度和壓強下,系統的吉布斯自由能越低越穩定。
或一定溫度和體積下,系統的亥姆霍茲自由能越低越穩定。如果將這里的能量理解為大家最熟悉的內能,或動能,或其它能量,或若干形式能量的總和,系統的能量越低越穩定這一表述都是錯誤的。
由于G和F都不是客觀存在的能量,而是人為定義的抽象能量,因此這句話中的能量一詞初學者是很難捉摸的。化學中常常將等溫等壓下的放熱反應理解為反應后系統能量降低,這里的能量意指焓H,焓也是一種抽象能量。
能不能說一定溫度和壓強下,焓越低越穩定,也就是放熱反應一定可以進行呢?這也是一種錯誤的理解,只能說一定溫度和壓強下,G越低越穩定,G減小的反應一定可以發生。由上可見能量必須明確是何種能量,所謂的能量越低越穩定才有意義。
而初等化學尤其是中學化學不可能搞得如此復雜,因此才有一般所見的含糊其辭的說法。以上內容旨在讓樓主搞清楚能量越低越穩定這句話的確切含義。
以下才可能從熱力學角度去進一步理解其原因(熵增加原理在等溫等壓過程或等溫等容過程的應用),否則必然是一筆糊涂賬。另外要指出的是,這一命題完全是熱力學問題,與動力學無關。
如果樓主是中學生,沒有學過G和F的話,建議暫不必深糾,搞清常見的例子就可以了。如是大學生建議在上文的基礎上,仔細閱讀教材。
如遇困難歡迎進一步提出。
為什么成鍵原子的原子軌道在空間最大程度重疊,體系能量越低
在形成共價鍵時,原子間總是盡可能的沿著原子軌道最大重疊的方向成鍵。成鍵電子的原子軌道重疊程度越高,電子在兩核間出現的概率密度也越大,形成的共價鍵也越穩固,這就是最大重疊原理。
雜化軌道與其他原子軌道重疊形成化學鍵時,同樣要滿足原子軌道最大重疊原理。原子軌道重疊越多,形成的化學鍵越穩定。由于雜化軌道的電子云分布更集中,所以雜化軌道成鍵能力比未雜化的各原子軌道的成鍵能力強。化合物的空間構型是由滿足原子軌道最大重疊的方向決定的。在CH4分子中,四個氫原子的1s軌道在四面體的四個頂點位置與碳原子的四個雜化軌道重疊最大,因此,決定了CH4的分子構型是四面體,H-C-H之間的鍵角為109°28′
另外,共價鍵分為σ鍵和π鍵,其中,σ鍵重疊程度較大。
軌道最大重疊原則:
在符合對稱性匹配的條件下,在滿足能量相近原則下,原子軌道重疊的程度越大,成鍵效應越顯著,形成的化學鍵越穩定。如兩個原子軌道沿x軸方向相互接近時,s軌道之間,px軌道與px軌道的重疊,就屬于這種情況。
共價鍵的形成遵循原子軌道最大重疊原理:
形成共價鍵時,成鍵電子的原子軌道一定要在對稱性一致的前提下發生重疊,原子軌道的重疊程度越大,兩核間電子的概率密度就越大,形成的共價鍵就越穩定。
成鍵電子的原子軌道重疊程度越高,電子在兩核間出現的概率密度也越大,形成的共價鍵也越穩固,這就是最大重疊原理共價鍵:成鍵電子的原子軌道重疊程度越高,電子在兩核間出現的概率密度也越大,而且除了s軌道其它軌道在空間中都有一定的方向取向,因此才能滿足最大重疊原則,,電子排布還會有三個排布原則:能量最低原則,puali不相容原理,Hund規則成鍵電子的原子軌道重疊程度越高,電子在兩核間出現的概率密度也越大,共價鍵越穩定,能量越低
老師說化學鍵吸收的能量越多化學鍵越牢固,但金剛石的能量比石墨多
能量越低物質越穩定,這句話沒錯,這里的能量是指化學勢能。
想要弄明白這些,你得知道焓變,吉布斯自由能這些。簡單說吧,分子總是從化學勢高的相進入化學勢低的相,從而降低系統的總自由能,并使系統達到平衡態。
不要主觀的認為金剛石很硬就認為它能量高,金剛石的硬是因為它的結構(立體結構)原子間力,石墨(層狀結構)層間是分子間力。想弄明白為什么石墨能量低于金剛石,在從他們結構上比較下吧。
聽說過石墨合成金剛石吧,需要高溫高壓才行,所以吸收了能量才是金剛石,從這點上看金剛石能量要高。