標準狀態
標準狀態（英語：standard state），簡稱標狀態，是一種為了方便計算體系性質的參考態。常見的體系有：純物質、混合物或溶液。雖然 IUPAC 推薦了一套通用的標準狀態，[1] 但原則上，標準狀態可以任意選取。
在化學中，常定義假想的理想溶液濃度為1 M(mol/L)時為標準狀態。在生物化學則常額外使用pH為7,即10-7 mol/l H+離子濃度為標準狀態[2][3]。
IUPAC 推薦指定標準壓力 po =105 Pa。[4]
嚴格地說，標準狀態並沒有指定溫度。 舉個例子，氣體的標準狀態被指定為：單位壓力下（通常是1巴）的理想氣體，而沒有指定具體的溫度。但是，現實中的大多數熱力學數據集都是在特定的溫度下測得的，最常見的是：298.15 K（25.00 °C；77.00 °F）或較少見的：273.15 K（0.00 °C；32.00 °F）。
體系的標準狀態就是體系熱力學性質（焓、熵、Gibbs自由能）的參考態。在標準狀態下，元素的標準摩爾生成焓為零，這使得在相當大的範圍內，其他的熱力學性質都變得容易計算，並能夠以製成表格以便查閱。需要注意的是，物質的標準態不一定是真是存在的：舉個例子，可以計算水蒸氣在溫度為 298.15 K、壓力為 105 Pa 時的熱力學性質，雖然此時水以液態存在。 但這樣做可以使計算出的熱力學性質表保持自洽。
常用的標準狀態[編輯]
很多標準狀態並非物理上存在的真實狀態，通常把他們認為是一種「假想狀態」。 標準狀態的熱力學性質有精確地定義。通常通過假定體系在邊界條件處服從某些理想模型，然後外推到特定的條件下得到。常用的邊界條件有：零壓力或零濃度；理想模型有：理想溶液、理想氣體或某些經驗方程；特定條件通常是：單位濃度或單位壓力。
氣體[編輯]
氣體的標準狀態是個假想態，其定義為：標準壓力(105 Pa，或1巴)下，服從理想氣體狀態方程的純氣體。 雖然沒有任何一種真實氣體具有完全理想的行為，但是這種標準狀態的定義允許對不同氣體的非理想性進行修正。
液體和固體[編輯]
液體和固體的標準狀態有着簡單的定義：總壓力為 105 Pa 時的純物質。對於大多數的元素，標準摩爾生成焓 ΔHfo =0 的參考態為：同壓下，該元素最穩定的同素異形體。例如對於碳元素是石墨；而對於錫則是 β-錫(白錫)。有一個例外：白磷，是磷最常見的同素異形體，被定義為磷的標準狀態，儘管它僅是介穩態。[5]
溶液[編輯]
對於溶液中的物質(溶質)它的標準狀態是一種假想態，其定義為：溶質的濃度為單位質量摩爾濃度或體積摩爾濃度，且溶質服從無限的稀釋溶液行為的假想溶液狀態。有這種不尋常定義的原因是：描述無限稀釋溶液中溶質行為的方程和理想氣體狀態方程十分相似。 因此，把無限稀釋溶液的行定為標準狀態，並允許對不同溶液的非理想行為作出修正。標準質量摩爾濃度為1 mol kg−1，標準體積體積摩爾濃度為1 mol dm−3。
符號規範[編輯]
十九世紀時，人們使用上標 Plimsoll 符號來表示非零性質的標準的狀態。[6] 第3版的 IUPAC 建議書《Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry》推薦使用一個類似角度單位「度」(°)的符號來替代 Plimsoll 符號。在同一出版物中， Plimsoll 符號似乎是由一條水平的橫線和一個角度符號組成的。[7] 論文中使用了一系列類似的符號：帶有橫劃線的小寫的O(o)、[8] 上標零(0)[9] 、一個圓形帶有一條水平橫線，橫線可以伸出圓形的邊界(U+29B5「⦵」CIRCLE WITH HORIZONTAL BAR)或者終止在圓上(U+2296「⊖」CIRCLED MINUS)。[10][11] 與 plimsoll 符號相比較時，水平條應該伸出圓的邊界
參考文獻[編輯]
- 'International Union of Pure and Applied Chemistry'. Notation for states and processes, significance of the word standard in chemical thermodynamics, and remarks on commonly tabulated forms of thermodynamic functions (PDF). Pure Appl. Chem.. 1982, 54 (6): 1239–50 [2018-02-28]. doi:10.1351/pac198254061239. （原始內容存檔 (PDF)於2021-01-17）.
- IUPAC–IUB–IUPAB Interunion Commission of Biothermodynamics. Recommendations for measurement and presentation of biochemical equilibrium data (PDF). J. Biol. Chem.. 1976, 251 (22): 6879–85 [2018-02-28]. （原始內容 (PDF)存檔於2008-12-17）.
- ^ 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
- ^ Chang, Raymond; Thoman, Jr., John W. Physical Chemistry for the Chemical Sciences. New York: University Science Books. 2014: 346–347.
- ^ 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. （原始內容存檔於2022-03-19）.
- ^ 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
- ^ Housecroft C.E. and Sharpe A.G., Inorganic Chemistry (2nd ed., Pearson Prentice-Hall 2005) p.392
- ^ Prigogine, I. & Defay, R. (1954) Chemical thermodynamics, p. xxiv
- ^ 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
- ^ IUPAC (1993) Quantities, units and symbols in physical chemistry (also known as The Green Book) (2nd ed.), p. 51
- ^ Narayanan, K. V. (2001) A Textbook of Chemical Engineering Thermodynamics (8th printing, 2006), p. 63
- ^ Miscellaneous Mathematical Symbols-B (PDF). Unicode. 2013 [2013-12-19]. （原始內容存檔 (PDF)於2017-12-27）.
- ^ Mills, I. M. (1989) "The choice of names and symbols for quantities in chemistry".