第 4 講 熱力學 II 與動力學

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這講在回答:L3 的 G 只處理單一物質(石墨或鑽石、冰或水)。真實的岩石和水溶液裡有很多成分、很多相,這時怎麼判斷反應往哪走、停在哪裡?反過來,能不能從岩石裡礦物的組成讀出它形成時的溫度和壓力?最後,熱力學說「會發生」的反應,要多久才真的發生?

考前 30 秒

  1. ΔGr=ΔG∘+RTln⁡Q\Delta G_r = \Delta G^\circ + RT\ln Q;平衡時 ΔG∘=−RTln⁡K\Delta G^\circ = -RT\ln K。Q < K 往右,Q > K 往左。
  2. ln⁡K=−ΔH∘R⋅1T+ΔS∘R\ln K = -\dfrac{\Delta H^\circ}{R}\cdot\dfrac{1}{T} + \dfrac{\Delta S^\circ}{R}:ln K 對 1/T 的斜率 = −ΔH°/R。
  3. 溫度計要 ΔH 大、ΔV 小;壓力計要 ΔV 大(> 2 cm³/mol)。
  4. 熱力學決定方向,動力學決定速度;一階反應 t1/2=ln⁡2/kt_{1/2} = \ln 2/k。穩態 ≠ 平衡。

先認識的名詞

名詞一句話
化學勢 μ多加 1 mol 某成分,系統的 G 增加多少(partial molar G)
活度 a有效濃度;理想溶液中等於莫耳分率 X
逸度 f真實氣體的「有效壓力」,逃離溶液的傾向
反應商 Q目前產物和反應物的活度比;平衡時等於 K
平衡常數 K平衡時的活度比,只跟 T、P 有關
地質溫度計/壓力計用礦物組成(= K)反推形成時的 T/P
活化能 Eₐ反應途中要翻過的能量障壁
半衰期 t1/2反應物剩一半所需的時間
穩態不隨時間變;不一定是平衡

這一講的邏輯地圖

邏輯地圖
多成分系統:反應往哪走、停在哪、多快?
熱力學給方向和終點,動力學給速度
多成分的 G 怎麼描述?
化學勢 μ;平衡時每個成分在各相的 μ 相等
μ 跟濃度有什麼關係?
μ = μ° + RT ln a;活度、逸度
反應停在哪裡?
ΔG = ΔG° + RT ln Q;平衡時 Q = K
K 怎麼隨 T、P 改變?
ln K 對 1/T 斜率 −ΔH°/R;ΔV° 決定壓力效應
要多久才到平衡?
活化能、碰撞;一階反應 t½ = ln2/k
能從礦物讀出 T、P 嗎?
溫度計 ΔH 大 ΔV 小;壓力計 ΔV 大
速率和平衡怎麼接?
k₊/k₋ = K;穩態不一定是平衡
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:上半部是一條推導鏈:μ → 活度 → K。K 會隨溫度、壓力變,反過來用就是地質溫度計和壓力計;但溫度計要能用,礦物降溫後必須不再反應,這要靠動力學(虛線)。最後,平衡就是正逆反應速率相等的狀態。

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」,先自己回答再打開。

1. 化學勢 μ:多成分系統的 G

L3 告訴我們,固定 T、P 時,系統會往 G 降低的方向走,G 最低就是平衡。這對單一物質很好用:比較石墨和鑽石的 G,低的就穩定。但岩漿裡有十幾種氧化物,海水裡有幾十種離子,每一種成分的量都可以變。這時我們需要知道的是:某一個成分多一點或少一點,G 會怎麼變?

這個量就是化學勢(chemical potential)。它是 G 對某成分莫耳數的偏微分,其他成分的量和 T、P 都固定:

μi=(∂G∂ni)T,P,nj≠i\mu_i = \left(\frac{\partial G}{\partial n_i}\right)_{T,P,n_{j\neq i}}

所以它也叫 partial molar Gibbs free energy。有了 μ,L3 的 dG 就多了成分變化的那一項,系統的總 G 也可以寫成每個成分「量 × 化學勢」的總和:

dG=V dP−S dT+∑iμi dni,G=∑iniμidG = V\,dP - S\,dT + \sum_i \mu_i\,dn_i, \qquad G = \sum_i n_i\mu_i

化學勢最重要的性質:平衡時,每個成分在每一相裡的 μ 都相等。 用冰水混合物來推。固定 T、P,讓一點點冰融化:H₂O 在冰(α 相)裡少了 dn,在水(β 相)裡多了 dn,也就是 dnα=−dnβdn^\alpha = -dn^\beta。整個系統的 G 變化是

dG=μα dnα+μβ dnβ=(μβ−μα) dnβdG = \mu^\alpha\,dn^\alpha + \mu^\beta\,dn^\beta = (\mu^\beta - \mu^\alpha)\,dn^\beta

平衡時 dG = 0,而 dnβ 不是 0,所以 μα=μβ\mu^\alpha = \mu^\beta。如果不相等,例如 μ冰 > μ水,那冰融化(dnβ > 0)會讓 dG < 0,冰就會自己融化,直到兩邊相等為止。

這和溫度很像:熱從高溫流到低溫,直到溫度相等;成分從 μ 高的相流到 μ 低的相,直到 μ 相等。所以化學勢就是「成分的溫度」,它決定物質往哪裡跑。

自我檢測 1
  1. 為什麼 L3 的 G 不夠用,需要化學勢?
  2. 用 dG = 0 推出「平衡時 μ冰 = μ水」。
  3. 如果某成分在熔體的 μ 比在礦物高,它會往哪裡跑?

答案:(1) 多成分系統裡每個成分的量都會變,要知道個別成分對 G 的貢獻。(2) 冰減少的量 = 水增加的量,dG = (μ水 − μ冰) dn = 0,所以兩者相等。(3) 從熔體跑進礦物,直到兩邊 μ 相等。

2. 化學勢和濃度的關係

μ 是抽象的量,要能算,得先知道它跟看得到的濃度有什麼關係。從理想氣體開始推。L3 說固定溫度下 (∂G/∂P)T=V(\partial G/\partial P)_T = V,換成每莫耳就是 (∂μ/∂P)T=vˉ(\partial \mu/\partial P)_T = \bar v。理想氣體 vˉ=RT/P\bar v = RT/P,從標準壓力 P° 積分到 P:

μ−μ∘=∫P∘PRTP dP=RTln⁡PP∘\mu - \mu^\circ = \int_{P^\circ}^{P} \frac{RT}{P}\,dP = RT\ln\frac{P}{P^\circ}

理想溶液的意思是:不同分子之間的作用力和同種分子之間一樣,所以分子混在一起不會多放熱或吸熱。這時液體上方的分壓和它在液體中的比例成正比(投影片 p.10 的圖:液體裡 A:B = 1:2,氣體裡也是 1:2),P/P° 就換成莫耳分率 X:

μi=μi∘+RTln⁡Xi\mu_i = \mu_i^\circ + RT\ln X_i

真實溶液的分子之間有吸引或排斥,有效的濃度和實際濃度不一樣。做法是保留同一個式子,把 X 換成活度 a(有效濃度),差別全部塞進活度係數 λ;氣體則把壓力換成逸度 f(有效壓力,也就是逃離溶液的傾向):

μi=μi∘+RTln⁡ai,ai=λiXi=fifi∘\mu_i = \mu_i^\circ + RT\ln a_i, \qquad a_i = \lambda_i X_i = \frac{f_i}{f_i^\circ}

這條式子是整講的基礎,要讀懂兩件事。第一,濃度越高,μ 越高,所以物質會從濃的地方往稀的地方跑,這就是濃度能推動反應的原因。第二,濃度是放在對數裡:濃度變 10 倍,μ 只增加 RT ln 10(25 °C 時約 5.7 kJ/mol)。這個數字下一節會再出現。

自我檢測 2
  1. 理想溶液的定義是什麼?
  2. 活度和莫耳分率差在哪?什麼時候兩者相等?
  3. 25 °C 時,某成分濃度變成 100 倍,μ 增加多少?

答案:(1) 不同分子之間的作用力和同種分子之間一樣。(2) 活度是有效濃度,a = λX;理想溶液 λ = 1 時相等。(3) RT ln 100 = 2 × 5.7 ≈ 11.4 kJ/mol。

3. 平衡常數 K ★

現在可以處理一整個反應了。反應 aA+bB⇌cC+dDa\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightleftharpoons c\mathrm{C} + d\mathrm{D} 往右走一點點,產物增加、反應物減少,G 的變化就是「產物的 μ 減掉反應物的 μ」,每個乘上係數。把上一節的 μ 代進去,標準狀態的部分收成 ΔG°,濃度的部分收成一個對數:

ΔGr=(cμC+dμD)−(aμA+bμB)=ΔGr∘+RTln⁡aC c aD daA a aB b=ΔGr∘+RTln⁡Q\begin{aligned} \Delta G_r &= (c\mu_C + d\mu_D) - (a\mu_A + b\mu_B) \\ &= \Delta G_r^\circ + RT\ln\frac{a_C^{\,c}\,a_D^{\,d}}{a_A^{\,a}\,a_B^{\,b}} = \Delta G_r^\circ + RT\ln Q \end{aligned}

Q 叫反應商,就是「現在」的產物活度比反應物活度。這條式子把 ΔG 拆成兩部分:ΔG° 是這個反應本身的傾向,只跟 T、P 有關;RT ln Q 是目前的組成造成的修正。反應進行時 Q 一直變,ΔGr 也跟著變,直到 ΔGr = 0 停下來。這時的 Q 有一個特別的名字:平衡常數 K。

0=ΔGr∘+RTln⁡K⇒ΔGr∘=−RTln⁡K0 = \Delta G_r^\circ + RT\ln K \quad\Rightarrow\quad \Delta G_r^\circ = -RT\ln K

這是整門課最常用的一條式子之一。它說明 K 只由 ΔG° 決定,所以只跟 T、P 有關,跟一開始放了多少反應物無關。代入 RT ln 10 ≈ 5.7 kJ/mol:ΔG° 每負 5.7 kJ/mol,K 就大 10 倍。

把兩條式子相減,得到判斷方向的方法:ΔGr=RTln⁡(Q/K)\Delta G_r = RT\ln(Q/K)。

  • Q < K:ΔGr < 0,反應往右(產物還不夠多)。
  • Q > K:ΔGr > 0,反應往左。
  • Q = K:平衡。

先預測:A ⇌ B 的 ΔG° = −3 kJ/mol(B 比較穩定)。如果一開始全部是 B,反應會往哪邊走?會不會一路走到 A 完全沒有?想好再拉下面的圖。

互動:反應會往哪邊走?A ⇌ B(理想混合,25 °C):拉反應進度 ξ,看切線斜率 ΔGr 的正負
平衡:Q = K全是 A全是 B反應進度 ξ系統的 G
K = e−ΔG°/RT = 3.36
Q = ξ/(1 − ξ) = 0.250
ΔGr = ΔG° + RT ln Q = -6.43 kJ/mol
Q < K:往右(生成 B)
金色線是切線,斜率就是 ΔGr。斜率為負表示往右走 G 會下降,所以反應往右;最低點斜率為 0,就是平衡。ΔG° 只決定最低點在哪裡,不代表反應一定走到底。

圖上的曲線是系統的 G 對反應進度。即使 ΔG° < 0,曲線的最低點也不在「全部是 B」,而是在中間的某處,因為兩種分子混在一起會增加熵(曲線兩端是彎下去的)。所以全部是 B 時,Q 無限大,Q > K,反應會往左生成一些 A,停在最低點。ΔG° 的正負只決定最低點偏向哪一邊,不代表反應會走到底。

兩個由此推出的原理

  • 質量作用定律(law of mass action):改變某個物種的濃度,反應會往抵銷這個改變的方向走。例如在碳酸溶液 H2CO3⇌H++HCO3−\mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-} 裡加 H⁺,Q 變大、Q > K,反應往左,生成更多 H₂CO₃。
  • Le Chatelier 原理:系統受到擾動時,會往減少擾動的方向反應。例如冰 → 水的 ΔV < 0(水比冰密),加壓時系統會往體積小的方向走,也就是融化,所以冰的熔點隨壓力增加而下降。這和 L3 用 Clapeyron 斜率得到的結論一樣。

用濃度代替活度:活度通常很難測,實務上常用濃度寫成三種「常數」,代價是它們會隨組成稍微變動。

名稱寫法用在哪
分配係數 KD莫耳分率的乘積 ΠXiνi礦物和熔體之間的交換(L2 的 D 就是這種)
表觀平衡常數 Kapp莫耳濃度的乘積 Πmiνi水溶液
溶度積 Ksp只寫離子,例如 aNa⁺·aCl⁻礦物溶解;純固體活度 = 1,所以不寫
【例題 ★ 完整解】螢石 CaF₂ 在 25 °C 的 Ksp = 3.9×10⁻¹¹。地下水含 0.1 mM 的 F⁻ 並與螢石平衡,Ca²⁺ 濃度是多少?

第一步:寫反應和 Ksp。 CaF₂ ⇌ Ca²⁺ + 2F⁻。純固體 CaF₂ 的活度 = 1,所以 Ksp = [Ca²⁺][F⁻]²。F⁻ 的係數是 2,所以要平方。

第二步:換單位。 0.1 mM = 0.1 × 10⁻³ M = 10⁻⁴ M。

第三步:代入。 [Ca²⁺] = Ksp / [F⁻]² = 3.9×10⁻¹¹ / (10⁻⁴)² = 3.9×10⁻¹¹ / 10⁻⁸ = 3.9×10⁻³ M(3.9 mM)。

檢查:F⁻ 越多,Ca²⁺ 能溶的越少(質量作用),合理。常見錯誤是忘了平方,會得到 3.9×10⁻⁷ M,差了一萬倍。

【換你算】(a) 同一個地下水如果 F⁻ 是 1 mM,Ca²⁺ 最多多少?(b) 某反應 25 °C 的 ΔG° = −11.4 kJ/mol,K 大約多少?

提示:(a) 濃度變 10 倍,平方後是 100 倍。(b) 每 −5.7 kJ/mol,K 乘 10。

答案:(a) 3.9×10⁻¹¹ / (10⁻³)² = 3.9×10⁻⁵ M,是原本的 1/100。(b) −11.4 = 2 × (−5.7),所以 K ≈ 10² = 100(精確算:e11400/(8.314×298) = e4.60 ≈ 99)。

自我檢測 3
  1. 從 ΔGr = ΔG° + RT ln Q 推出 ΔG° = −RT ln K。
  2. ΔG° < 0 的反應,會不會一路走到反應物完全用完?
  3. 為什麼 Ksp 的式子裡沒有固體?
  4. 加壓時冰的熔點會升高還是降低?用 Le Chatelier 說明。

答案:(1) 平衡時 ΔGr = 0 且 Q = K,代入即得。(2) 不會,停在 G 的最低點,Q = K,兩邊都還有。(3) 純固體的活度 = 1。(4) 降低;冰 → 水體積變小,加壓讓系統往體積小的方向(融化)走。

4. K 隨溫度、壓力改變:van't Hoff ★

K 是「常數」,但只在固定 T、P 下是常數。要知道它怎麼隨溫度變,把 L3 的 ΔG° = ΔH° − TΔS° 代進 ΔG° = −RT ln K,兩邊除以 −RT:

ln⁡K=−ΔH∘R⋅1T+ΔS∘R\ln K = -\frac{\Delta H^\circ}{R}\cdot\frac{1}{T} + \frac{\Delta S^\circ}{R}

這就是 van't Hoff 式。如果 ΔH°、ΔS° 在這段溫度內差不多不變,ln K 對 1/T 作圖是一條直線:斜率 = −ΔH°/R,截距 = ΔS°/R。

讀懂斜率的意思:吸熱反應(ΔH° > 0)斜率為負,1/T 變小(溫度升高)時 ln K 變大,所以吸熱反應升溫時 K 變大,往產物移動;放熱反應相反。這也是 Le Chatelier 原理:升溫等於給熱,系統往吸熱的方向走。

壓力的效應用同樣的方法推。(∂ΔG∘/∂P)T=ΔV∘(\partial \Delta G^\circ/\partial P)_T = \Delta V^\circ,代入 ΔG° = −RT ln K:

(∂ln⁡K∂P)T=−ΔV∘RT\left(\frac{\partial \ln K}{\partial P}\right)_T = -\frac{\Delta V^\circ}{RT}

ΔV° < 0(產物比較密)時,加壓讓 K 變大。

低壓高壓截距 = ΔS°/R切線斜率 = −ΔH°/R在這個溫度畫切線01231/T(×10⁻³ K⁻¹) ← 高溫 低溫 →ln K
真實的 ln K 對 1/T 常常是彎的(ΔH 本身會隨溫度變),這時在想知道的溫度畫切線:切線斜率 = −ΔH°/R,延伸到 1/T = 0(溫度無限高)的截距 = ΔS°/R。左半邊溫度高、右半邊溫度低;這個例子在高壓時整條曲線往上,表示加壓讓 K 變大(ΔV° < 0)。自繪示意圖;概念參考:White (2013) Fig. 3.17(重晶石溶解,after Blount 1977);課堂投影片 L4 p.17。曲線形狀為示意,未標實際數值

真實的資料常常是彎的,因為 ΔH 本身也隨溫度變。這時在關心的溫度畫切線,切線的斜率就是該溫度的 −ΔH°/R。

【例題 ★ 完整解】某礦物溶解反應 25 °C 時 K = 1.0×10⁻⁵,ΔH° = +20 kJ/mol。50 °C 時 K 是多少?

第一步:寫兩個溫度的 van't Hoff 式相減。 ΔS°/R 消掉:

ln⁡K2K1=−ΔH∘R(1T2−1T1)\ln\frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta H^\circ}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)

第二步:溫度換成 K。 T₁ = 298 K,T₂ = 323 K。1/T₂ − 1/T₁ = 0.003096 − 0.003356 = −2.60×10⁻⁴ K⁻¹。

第三步:代入。 ln(K₂/K₁) = −(20000/8.314) × (−2.60×10⁻⁴) = 2406 × 2.60×10⁻⁴ = 0.625。K₂/K₁ = e0.625 = 1.87。

答案:K₂ ≈ 1.9×10⁻⁵。吸熱反應,升溫 K 變大,方向合理。

【換你算】某反應 300 K 時 K = 1.0×10⁻⁴,350 K 時 K = 1.0×10⁻³。求 ΔH°,並判斷吸熱還是放熱。

提示:ln(K₂/K₁) = ln 10 = 2.303;1/350 − 1/300 = −4.76×10⁻⁴。

答案:2.303 = −(ΔH°/8.314)(−4.76×10⁻⁴) → ΔH° = 2.303 × 8.314 / 4.76×10⁻⁴ ≈ 40 kJ/mol,吸熱(升溫 K 變大)。

自我檢測 4
  1. 從 ΔG° = ΔH° − TΔS° 推出 van't Hoff 式。
  2. ln K 對 1/T 作圖,斜率和截距各代表什麼?
  3. 放熱反應升溫,K 變大還是變小?
  4. ΔV° < 0 的反應,加壓時 K 怎麼變?

答案:(1) 代入 −RT ln K = ΔH° − TΔS°,兩邊除以 −RT。(2) 斜率 −ΔH°/R,截距 ΔS°/R。(3) 變小。(4) 變大。

5. 地質溫度計與壓力計 ★

上一節說 K 隨 T、P 改變。把這件事反過來用:量出岩石中礦物的組成,就等於量出 K,再用 K 推回 T、P。這就是地質溫度計(geothermometer)和地質壓力計(geobarometer)。

兩個看似矛盾的假設

使用溫度壓力計必須同時假設兩件事。第一,礦物組合形成時處於平衡,否則組成不等於 K。第二,岩石從深處抬升到地表的路上沒有重新平衡,否則組成會被改成低溫低壓的值。前者要反應快,後者要反應慢,看起來矛盾。能同時成立,是因為反應速率隨溫度指數變化(第 6 節):在深處高溫時反應很快,所以達到平衡;抬升降溫後反應變得極慢,組成就「凍結」下來。

什麼樣的反應是好溫度計? 看第 4 節的兩條式子。溫度計希望 K 對 T 很敏感、對 P 不敏感,所以要 ΔH° 大(線陡)、ΔV° 小(壓力影響小)。壓力計則相反,要 ΔV° 大,一般要 > 2 cm³/mol。

先預測:如果一個反應的 ΔV 很大,拿來當溫度計會發生什麼事?拉下面的 ΔV 試試看。

互動:什麼樣的反應是好溫度計?拉 ΔH° 和 ΔV°,看 ln K 對溫度、對壓力各有多敏感
-6-303612001000800600400溫度 °C(橫軸實際是 1/T,往右越冷)ln K0.1 GPa1 GPa
溫度差 100 °C,ln K 變 0.42
壓力估錯 0.1 GPa,溫度會算錯 2.7 °C
可以當溫度計:ΔH 越大、ΔV 越小越準
斜率 = −ΔH°/R,所以 ΔH 越大線越陡、越能分辨溫度;兩條線的間距來自 ΔV°,間距越大表示 K 越受壓力影響。反過來,ΔV 大的反應就適合當壓力計。(數值為示意,假設 ΔH、ΔV 不隨 T、P 變。)

課堂的兩個反例正好對應這兩個條件。1960 年代很多人想用橄欖石和輝石之間的 Fe–Mg 交換當溫度計,後來發現它的 ΔH 太小,K 幾乎不隨溫度變,就放棄了(投影片的經驗法則:ΔH° 至少要 1 kJ)。薔薇輝石(rhodonite)和錳三斜輝石(pyroxmangite)在變質岩裡常常一起出現,但它們之間的反應 ΔV 只有 0.2 cm³/mol,壓力改變幾乎不影響 K,不能當壓力計。

溫度壓力計的類型

類型原理優缺點例子
I. Univariant reaction相的組成固定,只看「是哪一相」ΔV 常常很大,適合當壓力計;但只有一相時只能給範圍石墨–鑽石、SiO₂ 同質異形體、Al₂SiO₅
Ia. Displaced equilibria固溶體讓相界「移動」,讀礦物組成的等值線可以給出具體數值與鎂橄欖石共存的 opx 的 Al 含量;GASP
II. Exchange reaction兩個物種在兩相之間交換ΔV 小,適合當溫度計石榴子石–黑雲母 Fe–Mg、橄欖石–熔體 Fe–Mg
Solvus兩相的互溶程度隨溫度變溫度計方解石–白雲石

Type I:Al₂SiO₅。藍晶石(kyanite)、紅柱石(andalusite)、矽線石(sillimanite)成分都是 Al₂SiO₅,只是結構不同,屬於 L3 講的同質異形體。藍晶石最密,所以在高壓;紅柱石在低壓;矽線石在高溫。

互動:Al₂SiO₅ 相圖拉溫度和壓力,看穩定的是哪一相、能給多少資訊
藍晶石 Ky紅柱石 And矽線石 Sil三相點 ≈ 500 °C、380 MPa →2003004005006007008000200400600800溫度(°C)壓力(MPa)
穩定的是:藍晶石
只看到一相:只能給一個 P–T 範圍
試試看:把點拉到兩區的交界,或拉到三相點。實際岩石裡三相共存非常少見,最常見的是只有一相,所以 univariant reaction 單獨使用時通常只能給範圍。

這類反應的限制在於:只有一相時,只能說「落在這一區」。兩相共存時落在一條線上,知道 T 就能求 P(或反過來);三相共存時 T、P 都固定,但三相同時出現的岩石極少。

Type Ia:opx 的 Al 含量。斜方輝石(opx)是固溶體,Al 可以進到它的晶格裡,含量隨 T、P 變。與鎂橄欖石共存時,依共存的含鋁礦物不同,分成三個區。

246810121416Fo + Ga(石榴子石)Fo + Sp(尖晶石)Fo + An(斜長石)晶體 +熔體opx 的 Al(wt%)400600800100012001400160000.511.522.53溫度(°C)壓力(GPa)
與鎂橄欖石(Fo)共存的斜方輝石(opx)的 Al 含量。依共存的含鋁礦物分成三區:斜長石(An,低壓)、尖晶石(Sp,中壓)、石榴子石(Ga,高壓)。尖晶石區的等值線幾乎是直的,表示 opx 的 Al 主要由溫度決定,溫度越高 Al 越多;斜長石區的等值線很平,Al 同時受壓力影響。量出 opx 的 Al 含量,再配合共存礦物,就能估 P–T。自繪示意圖;概念參考:White (2013) Fig. 4.15(after Gasparik 1984);課堂投影片 L4 p.25。相界與等值線位置為示意

Type II:交換反應。兩個成分在兩相之間互換,例如 Fe 和 Mg 在橄欖石和熔體之間:MgOol+FeOliq⇌MgOliq+FeOol\mathrm{MgO^{ol}} + \mathrm{FeO^{liq}} \rightleftharpoons \mathrm{MgO^{liq}} + \mathrm{FeO^{ol}}。反應兩邊的礦物種類一樣,只是 Fe、Mg 換位置,所以 ΔV 很小,壓力影響小。

【例題 ★ 完整解】橄欖石–熔體 Fe–Mg 交換:已知 log(XMgOol/XMgOliq) = 3740/T − 1.87,log(XFeOol/XFeOliq) = 3911/T − 2.50。求 1200 °C 的 KD,並判斷它是不是好溫度計。

第一步:寫 KD。 反應 MgOol + FeOliq ⇌ MgOliq + FeOol,產物除以反應物:

KD=XFeOol XMgOliqXFeOliq XMgOol=XFeOol/XFeOliqXMgOol/XMgOliqK_D = \frac{X_{FeO}^{ol}\,X_{MgO}^{liq}}{X_{FeO}^{liq}\,X_{MgO}^{ol}} = \frac{X_{FeO}^{ol}/X_{FeO}^{liq}}{X_{MgO}^{ol}/X_{MgO}^{liq}}

第二步:取 log,相除變相減。 log KD = (3911/T − 2.50) − (3740/T − 1.87) = 171/T − 0.63。

第三步:代溫度。 T = 1200 + 273 = 1473 K。log KD = 0.116 − 0.63 = −0.514,KD = 10−0.514 ≈ 0.31。這就是有名的橄欖石–熔體 KD ≈ 0.3:橄欖石的 Fe/Mg 大約是熔體的 0.3 倍。

第四步:判斷。 和 van't Hoff 式 log K = −ΔH°/(2.303R)·(1/T) + … 比較,1/T 的係數 171 很小,表示 ΔH° 很小,KD 幾乎不隨溫度變,不是好的溫度計。反過來說,它的好處是可以拿來檢查橄欖石和熔體有沒有平衡。

【換你算】同一個交換反應,1300 °C 時 KD 是多少?和 1200 °C 差多少?

提示:T = 1573 K。

答案:log KD = 171/1573 − 0.63 = 0.109 − 0.63 = −0.521,KD ≈ 0.30。溫度差了 100 °C,KD 只從 0.31 變成 0.30,量測誤差就比這個大,所以不能當溫度計。

自我檢測 5
  1. 溫度壓力計的兩個假設是什麼?為什麼不矛盾?
  2. 好的溫度計和好的壓力計,對 ΔH、ΔV 的要求各是什麼?為什麼?
  3. 岩石裡只找到矽線石,能知道什麼?找到藍晶石 + 矽線石呢?
  4. 為什麼交換反應適合當溫度計?

答案:(1) 形成時平衡、抬升時沒有重新平衡;反應速率隨溫度指數變化,高溫快、低溫慢。(2) 溫度計 ΔH 大、ΔV 小(對 T 敏感、對 P 不敏感);壓力計 ΔV 大(對 P 敏感)。(3) 只能知道落在矽線石穩定區(一個範圍);兩相共存表示落在 Ky–Sil 相界上,知道 T 就能求 P。(4) 兩邊礦物一樣,只是交換位置,ΔV 小。

6. 動力學:反應多快 ★

熱力學說 ΔG < 0 的反應「會」發生,卻沒說「多快」。鑽石在地表的 G 比石墨高,熱力學上應該變成石墨,但我們從來沒看過鑽石變黑。原因是反應途中要先翻過一座能量的山。

反應物產物EₐΔG反應進行 →動力學:山多高? 熱力學:高低差多少?Eₐ分子的能量 →低溫高溫翻得過山的分子
左:熱力學只比較起點和終點的高低(ΔG),決定反應往哪邊走;動力學看中間的山有多高(活化能 Eₐ),決定走得多快。右:分子的能量有一個分布,只有能量超過 Eₐ 的(塗色部分)才翻得過山。溫度升高,分布往高能量拉長,超過 Eₐ 的比例急遽增加,所以速率隨溫度指數上升。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 L4 p.29–32、p.35

熱力學只比較起點和終點,決定方向;動力學看路途上的障壁,決定速度。障壁的高度叫活化能 Eₐ。

日常經驗告訴我們,反應在低溫慢、高溫快。所以低溫的地球化學系統常常不平衡,投影片問的例子:鑽石留在地表不變成石墨;生物用 aragonite 做殼,但在地表穩定的是 calcite;有機物和大氣中的 O₂ 共存而不燒起來;表層海水對 calcite 過飽和卻沒有沉澱。高溫系統(岩漿)比較接近平衡,熱力學通常很好用,但也有例外:火山玻璃(冷得太快,來不及結晶)、有環帶的晶體(晶體核心來不及和後來的熔體重新平衡)。

反應速率的定義:反應物消耗或產物生成的速度,除以它的係數,讓不同物種算出來的速率一樣:

aA+bB→cC+dD:ℜ=−1ad[A]dt=1cd[C]dta\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow c\mathrm{C} + d\mathrm{D}: \qquad \Re = -\frac{1}{a}\frac{d[\mathrm{A}]}{dt} = \frac{1}{c}\frac{d[\mathrm{C}]}{dt}

負號是因為反應物在減少。

控制速率的三個因素

  1. 能量障壁:只有能量超過障壁的碰撞才會反應,其他的只是彈開。
  2. 組成(濃度):分子要先撞到才可能反應,濃度越高,撞到的機會越多。
  3. 溫度:溫度越高,能量超過障壁的分子比例越多(上圖右)。這個比例是指數關係,寫成 Arrhenius 式 k=A e−Ea/RTk = A\,e^{-E_a/RT}。

濃度為什麼重要,可以用碰撞截面來想:

Nvr = r(N) + r(O₂)長度 = v · t會被撞不會
N 原子以速度 v 前進,時間 t 內掃過一個半徑 r = r(N) + r(O₂)、長度 v·t 的圓柱。中心落在圓柱裡的 O₂ 分子(橘色)會被撞到,外面的不會。所以碰撞次數 ∝ 圓柱體積 × 對方的濃度:濃度加倍,碰撞次數加倍,這就是速率和濃度成正比的來源。自繪示意圖;概念參考:White (2013) Ch. 5;課堂投影片 L4 p.33

速率式:把「速率和濃度成正比」寫成一般式。

ℜ=k aAnA aBnB⋯\Re = k\,a_A^{n_A}\,a_B^{n_B}\cdots

k 是速率常數,n 是對每個物種的反應級數,一般要靠實驗測。如果反應就是分子一步撞出來的(基本反應),級數就等於係數:ℜ=k aAaaBb\Re = k\,a_A^{a}a_B^{b}。如果某個反應物多到濃度幾乎不變(例如水溶液裡的水),可以把它併進 k,簡化成擬一階反應。

一階反應 −d[A]/dt=k[A]-d[\mathrm{A}]/dt = k[\mathrm{A}] 的意思是:剩多少就以那個量的固定比例減少。分離變數積分:

∫[A]0[A]d[A][A]=−k∫0tdt  ⇒  [A]=[A]0 e−kt\int_{[A]_0}^{[A]} \frac{d[\mathrm{A}]}{[\mathrm{A}]} = -k\int_0^t dt \;\Rightarrow\; [\mathrm{A}] = [\mathrm{A}]_0\,e^{-kt}

剩一半時 1/2=e−kt1/21/2 = e^{-kt_{1/2}},所以 t1/2=ln⁡2/kt_{1/2} = \ln 2 / k。半衰期和起始濃度無關,這是一階反應的特徵,放射性衰變也是一樣。

【例題 ★ 完整解】CO₂(aq) 水合:CO₂ + H₂O → H₂CO₃,25 °C 時 k* = 0.014 s⁻¹。畫出 [CO₂] 對時間的變化(假設最終 CO₂ 濃度為 0)。

第一步:為什麼可以用一階。 本來速率 = k[CO₂][H₂O],但水的量極多,反應用掉的水可以忽略,[H₂O] 幾乎是常數,把它併進 k:k* = k[H₂O],變成 −d[CO₂]/dt = k*[CO₂]。

第二步:解。 [CO₂] = [CO₂]₀ e−0.014t,指數衰減。

第三步:半衰期。 t1/2 = 0.693 / 0.014 ≈ 50 s。所以 50 s 剩 50%、100 s 剩 25%、150 s 剩 12.5%;大約 5 個半衰期(約 4 分鐘)後剩 3%。

互動:一階反應(CO₂ 水合)拉溫度,看速率常數 k 和半衰期怎麼變
25%50%75%100%050100150200250300時間(s)[CO₂] / [CO₂]₀虛線:25 °C
k = 0.0140 s⁻¹
t1/2 = ln 2 / k = 49.5 s
和 25 °C 相比:速度 × 1.00
每過一個半衰期,剩下一半
25 °C 時 k = 0.014 s⁻¹(投影片數據),t1/2 ≈ 50 s。其他溫度用 Arrhenius 式 k ∝ e−Eₐ/RT 推算,Eₐ 是假設值:Eₐ 越大,速度對溫度越敏感。這就是高溫岩石能平衡、降溫後又會「凍結」的原因。
【換你算】同一個反應,要多久 CO₂ 才會剩 1%?

提示:0.01 = e−kt,t = ln 100 / k。

答案:t = 4.605 / 0.014 ≈ 329 s,約 5.5 分鐘(約 6.6 個半衰期)。

自我檢測 6
  1. 熱力學和動力學各回答什麼問題?
  2. 舉兩個低溫不平衡、一個高溫不平衡的地質例子。
  3. 為什麼可以把 CO₂ 水合當成一階反應?
  4. 一階反應的半衰期和起始濃度有沒有關係?

答案:(1) 熱力學:會不會發生、平衡在哪;動力學:多快、怎麼到達。(2) 低溫:地表的鑽石、生物殼的 aragonite、海水對 calcite 過飽和;高溫:火山玻璃、環帶晶體。(3) 水的濃度幾乎不變,併進速率常數。(4) 沒有,t1/2 = ln 2 / k。

7. 動力學和熱力學的連結;穩態不等於平衡

平衡不是反應停止,而是正反應和逆反應一樣快。以 A ⇌ B 為例,兩個方向都是基本反應:

k+[A]eq=k−[B]eq  ⇒  k+k−=[B]eq[A]eq=Kk_+[\mathrm{A}]_{eq} = k_-[\mathrm{B}]_{eq} \;\Rightarrow\; \frac{k_+}{k_-} = \frac{[\mathrm{B}]_{eq}}{[\mathrm{A}]_{eq}} = K

平衡常數就是正逆速率常數的比值。這條關係把動力學和熱力學接在一起:知道其中兩個,就能求第三個。

很多地球化學系統是穩態(steady state):性質不隨時間變。平衡一定是穩態,但穩態不一定是平衡。

AB正反應 k₊[A]逆反應 k₋[B]平衡:正 = 逆,封閉水位不變流入 10流出 10穩態:流入 = 流出,開放
左:平衡。正反應和逆反應一直在發生,但速率相等,沒有淨變化,而且系統沒有和外界交換物質。右:穩態。湖的水位不變,但那是因為流入 = 流出,水一直在流過;把河流截斷,水位就會變。平衡一定是穩態,穩態不一定是平衡。自繪示意圖;概念參考:課堂投影片 L4 p.37–38

穩態是平衡的必要條件,不是充分條件。 L6 的海洋碳循環和滯留時間,就是用穩態(流入 = 流出)的觀念在算,那時要記得它不是平衡。

自我檢測 7
  1. 平衡時反應停止了嗎?
  2. 推出 K = k₊/k₋。
  3. 舉一個穩態但不是平衡的例子,說明為什麼不是平衡。

答案:(1) 沒有,正逆反應一樣快,淨變化為 0。(2) 平衡時正逆速率相等,k₊[A] = k₋[B],移項得 [B]/[A] = k₊/k₋ = K。(3) 有河流流入和流出的湖:水位不變,但水一直在流,系統是開放的,截斷河流水位就會變。

容易混淆的地方

容易搞混正確理解
ΔG° < 0 就會反應到底?ΔG° 只決定 K;反應停在 Q = K,兩邊都還有
ΔG 和 ΔG° 一樣?ΔG° 是標準狀態的值(只跟 T、P 有關);ΔG = ΔG° + RT ln Q 還要看目前的組成
K 是常數,不會變?只在固定 T、P 下不變;ln K 隨 1/T 線性變(斜率 −ΔH°/R)
溫度計要 ΔV 大?溫度計要 ΔH 大、ΔV 小;ΔV 大的是壓力計
Ksp 的指數忘了係數變指數:CaF₂ 的 [F⁻] 要平方
ΔG < 0 的反應一定很快?熱力學只管方向;速度看活化能(鑽石在地表不會變石墨)
穩態就是平衡?平衡一定是穩態,穩態不一定是平衡(流入 = 流出的湖)
一階反應剩 1/4 要 2 倍時間?對,2 個半衰期;但剩 0 要無限久

章末綜合題

1.(觀念)用「μ → 活度 → K → van't Hoff」這條鏈,說明為什麼量礦物組成可以推回溫度。

每個成分的 μ = μ° + RT ln a,把反應各物種的 μ 加總得到 ΔG = ΔG° + RT ln Q;平衡時 Q = K,ΔG° = −RT ln K。ΔG° = ΔH° − TΔS° 隨溫度變,所以 ln K = −ΔH°/(RT) + ΔS°/R 也隨溫度變。礦物在高溫平衡時的組成就是 K,降溫後凍結保存下來;量出組成 = 量出 K,代回 van't Hoff 式就得到 T。ΔH 越大,K 對 T 越敏感,溫度計越準。

2.(計算)某反應 25 °C 時 ΔG° = +17.1 kJ/mol、ΔH° = −30 kJ/mol。(a) 25 °C 的 K?(b) 升溫到 100 °C,K 變大還是變小?算出來。

(a) 17.1 / 5.7 = 3,所以 K = 10⁻³(精確:e−17100/(8.314×298) = e−6.90 ≈ 1.0×10⁻³)。

(b) 放熱反應,升溫 K 變小。ln(K₂/K₁) = −(−30000/8.314)(1/373 − 1/298) = 3608 × (−6.75×10⁻⁴) = −2.43,K₂/K₁ = 0.088,K₂ ≈ 8.8×10⁻⁵。

3.(判斷)下面哪個反應最適合當壓力計?(A) ΔH = 50 kJ、ΔV = 0.3 cm³;(B) ΔH = 5 kJ、ΔV = 6 cm³;(C) ΔH = 0.5 kJ、ΔV = 0.1 cm³

(B),ΔV 最大(> 2 cm³/mol),K 對壓力最敏感,而且 ΔH 小,溫度不準時影響小。(A) 是好溫度計(ΔH 大、ΔV 小)。(C) 對 T、P 都不敏感,兩者都不適合。

4.(應用)一塊變質岩同時有藍晶石和矽線石,另一個溫度計給出 650 °C。這塊岩石形成時的壓力大約多少?如果只有矽線石呢?

藍晶石 + 矽線石共存 → 落在 Ky–Sil 相界上。用上面的相圖,650 °C 時相界約在 700 MPa(0.7 GPa)。如果只有矽線石,只能說壓力低於 Ky–Sil 相界、高於 And–Sil 相界(650 °C 時約 160 至 700 MPa),只是一個範圍。

延伸:看過就好(投影片上的其他式子)

G 隨 T、P 的完整積分式(p.2):從參考狀態 (T′, P′) 出發,

G(T,P)=G(T′,P′)+∫P′PV dP−∫T′TS dTG(T,P) = G(T',P') + \int_{P'}^{P} V\,dP - \int_{T'}^{T} S\,dT

這就是 L3 的 dG = V dP − S dT 積分起來;L3 石墨–鑽石的計算就是用這條式子。

化學勢的另外兩個性質(p.6–7):自發過程中,成分在各相之間重新分配,讓所有成分的化學勢降到最低;平衡就是所有成分化學勢最低的狀態。

碰撞頻率與溫度(p.35):反應速率常數的 log k 隨溫度上升,300 K 到 500 K 之間大約從 5 升到 7.5。