化学反应与自由能变化自然界中存在着许多化学反应，这些反应在不同的条件下改变物质的性质和组成。
而在化学反应中，自由能变化是一个重要的概念，它可以描述化学反应的进行程度和可能性。
本文将就化学反应与自由能变化进行探讨。
一、自由能的基本概念自由能是描述一个系统在一定条件下的稳定性和可逆性的物理量。
在化学反应中，我们常常关注的是系统的Gibbs自由能（G）。
Gibbs自由能由熵（S）和焓（H）组成，根据吉布斯-亥姆霍兹方程，可以表示为：G = H - TS。
二、化学反应的自由能变化化学反应发生时，物质间的键合、分解、形成等过程会导致能量的转移和变化。
这些能量的变化影响着反应的进行，可由自由能变化（ΔG）来描述。
ΔG可以通过下式计算得出：ΔG = ΔH - TΔS。
在化学反应中，当ΔG < 0时，反应是自发进行的，称为可逆反应；当ΔG > 0时，反应不会自发进行，称为不可逆反应；而当ΔG = 0时，反应处于平衡态。
三、化学反应与自由能变化的关系自由能变化对于判断化学反应是否会发生起着关键的作用。
根据ΔG的值可以判断反应的方向和能量变化。
当ΔG < 0时，反应会向着生成更稳定的产物的方向进行，反应过程放出能量，是放热反应；而当ΔG > 0时，反应会向着产物分解成原料的方向进行，吸收能量，是吸热反应。
此外，ΔG的值还与温度有关。
在常温下，ΔG < 0时，反应是自发进行的，但随着温度的升高，ΔG的绝对值会增大，反应不利于进行。
因此，在实际反应中，温度的控制也起着重要的作用。
四、自由能变化的应用自由能变化的应用领域十分广泛。
在化学工业领域，利用化学反应的自由能变化可以实现能量转化和利用，例如合成反应、分解反应和燃烧反应等。
在环境保护方面，了解自由能变化可以帮助我们预测和控制化学物质的释放及对环境的影响。
此外，自由能变化还与生物体的代谢过程密切相关。
生物体通过调控反应的自由能变化来维持自身的生命活动，例如利用ATP分子释放化学能量，使细胞内部发生各种重要反应。
标准吉布斯自由能：某纯组分溶解于溶剂中，形成标准溶液时吉布斯自由能的变化值。
标准生成吉布斯自由能：在标准状态下由稳定单质生成1mol物质时反应的自由能变化值。
直接还原：CO和H2做还原剂产物为CO2或H2O的反应。
间接还原：以C为还原剂产物为CO的反应。
化学反应的标准吉布斯自由能计算方法：（1）标准生成自由能法（2）线性组合法（3）平衡常数法（4）电化学反应电动势法（5）自由能函数法偏摩尔量：在恒温、恒压及其它组分的物质的量保持不变的条件下，溶液的广度性质X，对某组分B物质的量的偏微商。
[X B=（ə/əmb）T.P.nk(K≠B)]化学位：当广度性质是吉布斯自由能时，组分B的偏摩尔量就称为化学位。
活度：为了使实际溶液也能够服从拉乌尔定律，就需要将实际溶液的浓度前乘以一个系数对他加以校正，经校正的浓度称为活度。
活度的定义a B=p B/p(标)活度的测定方法：蒸汽压法、分配定律法、化学平衡法、电动势法。
活度的三种标准态：（1）纯物质标准态。
（符合拉乌尔定律）（2）假象纯物质标准态。
（符合亨利定律）（3）质量1％溶液标准态。
（符合亨利定律）理想溶液：在全部浓度范围内服从拉乌尔定律的溶液。
稀溶液：溶质服从亨利定律，溶剂服从拉乌尔定律的溶液称为稀溶液。
多相反应发生的问题在体系的相界面上，有如下三个环节：（1）反应物对流扩散到反应界面上。
（2）在反应界面上进行化学反应。
（3）反应产物离开反应界面向相内扩散。
未反应核模型：当固相反应物是致密的时，化学反应从固相物的表面开始，逐渐向矿块中心推进，反应物和产物之间有较明显的界面存在；而反应在层间的相界面附近区域进行，因而形成的固相产物则出现在固相反应物处，而原相内部则是未反应的部分。
双模理论：（1）在两相的相界面两侧的每个相内都有一层边界薄膜，这种膜产生了物质从相内到界面的基本传质阻力，存在浓度梯度。
（2）在两层膜之间的界面上，处于动态平衡状态。
（3）组元在每相内的传质通量与浓度差活分压差成正比。
第五节自由能与自由焓如前所述，应用熵变判断自发过程的方向和限度只限于孤立体系。
实际在生产和科研中，过程很少是在孤立体系中进行的。
用总熵变ΔS总作为判据也很不方便。
因此，对于化学反应和相变过程，直接用熵变作为判据的意义不大。
通过熵这个基本函数，亥姆霍茨(Helmholtz）和吉布斯（Gibbs）又找到可以作为判据的另外两个状态函数——自由能和自由焓。
一、自由能（F)1．自由能及其导出将热力学第一定律数学式用于可逆过程，得：dU＝δQ R－δW M把δQ R＝TdS代入上式得：dU＝TdS－δW M对于恒温过程，上式可写为：dU＝d(TS）－δW M 整理得：－d(U－TS)＝δW M等号左边括号中U、T和S都是体系的状态函数，在一定状态下具有一定值，所以，U－TS在一定状态也必具有一定值，即U－TS也必定是体系的状态函数。
定义这个状态函数为F，即：F＝U－TS 则－d F T＝δW M 或ΔF T＝δW M叫做自由能。
自由能是体系的状态函数，是体系的一种性质。
自由能的单位为焦耳。
由上式可以看出，恒温过程中体系自由能的减少等于体系所作的最大功。
因此，自由能可以理解为恒温条件下可以用来作功的能量。
或者说自由能代表恒温条件下体系的作功能力。
2．自由能变化作为恒温、恒容过程自发与平衡的判据根据热力学第一定律：δQ＝dU＋PdV＋δW′对于恒温、恒容、不作非膨胀功的不可逆过程来说，TdS＝d(TS)，PdV＝0，δW′＝0代入上式得：δQ＝dU＝d(F＋TS)＝dF＋d(TS)＝dF＋TdS由于：Td S＞不可逆δQ 整理得：dF TV不可逆＜0或ΔF TV不可逆＜0式中下脚表示恒温、恒容过程。
由上式可知，此不可逆过程不作非膨胀功，也不作膨胀功。
环境不对体系作功的不可逆过程只能是自发过程，因此，上式也就是恒温、恒容过程能否自发的判据。
即：在恒温、恒容条件下，如果ΔF TV不可逆＜0，即末态的自由能小于初态的自由能时，从初态变到末态是自发的。
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2．热力学参数状态图（10学时）2.1Ellingham图氧势图的形成原理氧势图的热力学特征（特殊的线；直线斜率；直线位置）氧势图的应用（氧气标尺；Jeffes图学生自学）2.2相图分析方法及基本规则复习与总结在冶金中常用的二元系相图及相图的基本定律（相律；连续原理；相应原理）三元系相图的构成三元系浓度三角形性质（垂线、平行线）三元系浓度三角形性质（等含线；定比例；直线；重心）简单共晶型三元系（图的构成；冷却组织及量；等温线与等温截面）具有一个稳定二元化合物的三元系具有一个不稳定二元化合物的三元系（图的特点；分析特殊点的冷却过程）相图的基本规则（邻接；相界限构筑；二次体系副分；切线阿尔克马德；零变点）相图正误判断3．冶金溶液（10学时）3.1铁溶液活度的定义及活度的标准态与参考态不同标准态活度及活度系数之间的关系标准溶解自由能多元系铁溶液中组元的活度??活度相互作用系数二元正规溶液3．2冶金炉渣炉渣的性质（碱度；过剩碱；氧化还原性）分子理论捷姆金完全离子理论4．冶金热力学应用(2学时)三方面的例题：炼铁过程热力学；炼钢过程热力学；有色冶炼热力学第二部分冶金动力学26学时5．冶金反应动力学基础(6学时)5．1化学反应速率及反应级数反应进度与速率n级不可逆反应与1级可逆反应方程5．2反应速率与温度的关系反应速率常数与温度、活化能关系式、物理意义5．3边界层理论扩散与传质边界层传质方程5．4双膜理论模型多相问题引出双膜理论及问题解析：稳态过程、控速环节、传质系数）5.5多相反应动力学问题处理方法多相问题特征与解析方法，举例6．多相反应动力学（20学时）（重点反应特点、机理步骤、建立方程与获取动力学参数）6．1气一固反应（8学时）6.1.1气-固反应特点与处理思路气固反应特点、处理方法6.1.2几种特殊气-固反应的动力学过程金属氧化碳酸盐分解碳燃烧的动力学机理，解析特点，举例化学反应控速时碳颗粒燃烧反应动力学方程6.1.3未反应核模型的理论推导金属氧化物气相还原动力学机理未反应核模型适应条件、理论推导6.1.4应用实例与动力学参数获取未反应核模型特殊条件下：外扩散、内扩散或界面化学反应控速应用及动力学参数获取，举例6．2气一液反应（8学时）6.2.1气泡形成机理与动力学过程碳-氧反应钢液内气泡均相与非均相形核、气泡长大与上升动力学机理6.2.2钢液中碳-氧反应动力学吹氩脱碳反应动力学机理不平衡参数与脱碳速率低碳钢或高碳钢脱氧动力学方程求解6.2.3真空脱气与吹氩脱气反应动力学真空脱气与吹氩脱气反应动力学吹氩量或气体浓度随时间变化6.3液一液反应（4学时）液-液反应动力学机理与动力学方程锰氧化反应控速环节讨论6．4液－固反应（自学）固-液相反应特点、应用范围及典型实例介绍：炉渣-耐火材料反应实例第三部分实验教学（24学时）。
