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标准状态

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标准状态(英語:standard state),简称标状态,是一种为了方便计算体系性质的参考态。常见的体系有:纯物质混合物溶液。虽然 IUPAC 推荐了一套通用的标准状态,[1] 但原则上,标准状态可以任意选取。

化学中,常定義假想的理想溶液濃度為1 M(mol/L)時為標準狀態。在生物化学則常額外使用pH为7,即10-7 mol/l H+离子浓度為標準狀態[2][3]

IUPAC 推荐指定标准压力 po =105 Pa。[4] 严格地说,标准状态并没有指定温度。 举个例子,气体的标准状态被指定为:单位压力下(通常是1)的理想气体,而没有指定具体的温度。但是,现实中的大多数热力学数据集都是在特定的温度下测得的,最常见的是:298.15 K(25.00 °C;77.00 °F)或較少见的:273.15 K(0.00 °C;32.00 °F)。

体系的标准状态就是体系热力学性质Gibbs自由能)的参考态。在标准状态下,元素的标准摩尔生成焓为零,这使得在相当大的范围内,其他的热力学性质都变得容易计算,并能够以制成表格以便查阅。需要注意的是,物质的标准态不一定是真是存在的:举个例子,可以计算水蒸气在温度为 298.15 K、压力为 105 Pa 时的热力学性质,虽然此时水以液态存在。 但这样做可以使计算出的热力学性质表保持自洽。

常用的标准状态

很多标准状态并非物理上存在的真实状态,通常把他们认为是一种“假想状态”。 标准状态的热力学性质有精确地定义。通常通过假定体系在边界条件处服从某些理想模型,然后外推到特定的条件下得到。常用的边界条件有:零压力或零浓度;理想模型有:理想溶液、理想气体或某些经验方程;特定条件通常是:单位浓度或单位压力。

气体

气体的标准状态是个假想态,其定义为:标准压力(105 Pa,或1巴)下,服从理想气体状态方程的纯气体。 虽然没有任何一种真实气体具有完全理想的行为,但是这种标准状态的定义允许对不同气体的非理想性进行修正。

液体和固体

液体和固体的标准状态有着简单的定义:总压力为 105 Pa 时的纯物质。对于大多数的元素,标准摩尔生成焓 ΔHfo =0 的参考态为:同压下,该元素最稳定的同素异形体。例如对于碳元素是石墨;而对于锡则是 β-锡(白锡)。有一个例外:白磷,是磷最常见的同素异形体,被定义为磷的标准状态,尽管它仅是介稳态英语Metastability[5]

溶液

对于溶液中的物质(溶质)它的标准状态是一种假想态,其定义为:溶质的浓度为单位质量摩尔浓度体积摩尔浓度,且溶质服从无限的稀释溶液行为的假想溶液状态。有这种不寻常定义的原因是:描述无限稀释溶液中溶质行为的方程和理想气体状态方程十分相似。 因此,把无限稀释溶液的行定为标准状态,并允许对不同溶液的非理想行为作出修正。标准质量摩尔浓度为1 mol kg−1,标准体积体积摩尔浓度为1 mol dm−3

符号规范

十九世纪时,人们使用上标 Plimsoll 符号英语Waterline来表示非零性质的标准的状态。[6] 第3版的 IUPAC 建议书《Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry》推荐使用一个类似角度单位“度”(°)的符号来替代 Plimsoll 符号。在同一出版物中, Plimsoll 符号似乎是由一条水平的横线和一个角度符号组成的。[7] 论文中使用了一系列类似的符号:带有横划线的小写的O(o)、[8] 上标零(0)[9] 、一个圆形带有一条水平横线,横线可以伸出圆形的边界(U+29B5CIRCLE WITH HORIZONTAL BAR)或者终止在圆上(U+2296CIRCLED MINUS)。[10][11] 与 plimsoll 符号相比较时,水平条应该伸出圆的边界

参考文献

  1. ^ 國際純化學和應用化學聯合會化學術語概略,第二版。(金皮書)(1997)。在線校正版: (2006–) "standard state"。doi:10.1351/goldbook.S05925
  2. ^ Chang, Raymond; Thoman, Jr., John W. Physical Chemistry for the Chemical Sciences. New York: University Science Books. 2014: 346–347. 
  3. ^ Sherwood, Dennis; Dalby, Paul. Modern Thermodynamics for Chemists and Biochemists. Oxford Scholarship Online. 2018 [18 May 2021]. ISBN 978-0-19-878295-7. doi:10.1093/oso/9780198782957.003.0023. (原始内容存档于2022-03-19). 
  4. ^ 國際純化學和應用化學聯合會化學術語概略,第二版。(金皮書)(1997)。在線校正版: (2006–) "standard pressure"。doi:10.1351/goldbook.S05921
  5. ^ Housecroft C.E. and Sharpe A.G., Inorganic Chemistry (2nd ed., Pearson Prentice-Hall 2005) p.392
  6. ^ Prigogine, I. & Defay, R. (1954) Chemical thermodynamics, p. xxiv
  7. ^ E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008), p. 60
  8. ^ IUPAC (1993) Quantities, units and symbols in physical chemistry (also known as The Green Book) (2nd ed.), p. 51
  9. ^ Narayanan, K. V. (2001) A Textbook of Chemical Engineering Thermodynamics (8th printing, 2006), p. 63
  10. ^ Miscellaneous Mathematical Symbols-B (PDF). Unicode. 2013 [2013-12-19]. (原始内容存档 (PDF)于2017-12-27). 
  11. ^ Mills, I. M. (1989) "The choice of names and symbols for quantities in chemistry".


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