Термодинамические концентрации

Природная вода содержит много растворенных атомов, связанных силами межатомного и межмолекулярного взаимодействия. Величина химического потенциала каждого отдельного соединения зависит от многих параметров, в частности, от присутствия других соединений, фазового состояния раствора, его давления и температуры. Особенно сложный характер имеет её зависимость от состава раствора. С позиции классической термодинамики пока не представляется возможным учесть весь характер этой зависимости. Поэтому в отличие от многих других интенсивных параметров величина химического потенциала не может быть измерена непосредственно.

Свободная энтальпия характеризует величину максимальной полезной работы, которую совершают силы преимущественно межатомных и межмолекулярных взаимодействий. В связи с этим можно допустить, что свободная энтальпия самих отдельных атомов равна нулю. Тогда величину средней ( молярной) свободной энтальпии любого соединения можно характеризовать как энергию образования его 1 моля. Чтобы сравнивать свободную энтальпию образования разных соединений, необходимо измерять энергию их образования из отдельных атомов в некоторых одинаковых условиях. Такие избранные условия образования разных чистых веществ называют стандартными условиями (standard conditions).Обычно стандартные условия характеризуются давлением 1 атм (101,325 кПа) и температурой 298,15K (25^оС). В этих условиях одно и тоже чистое вещество может быть в разных агрегатных состояниях (газообразном, жидком, твердом). В частности соединение H₂O в эих условиях находится в жидком и парообразном состоянии. В связи с этим среднюю свободную энтальпию оценивают как образование вещества до наиболее устойчивого его состояния в стандартных условиях, которое называют стандартным состоянием (standard state). Для соединения H₂O таким стандартным состоянием является жидкое, для метана – газообразное, для NaCl - твердое.

Исключением являются ионы водных растворов, которые не могут существовать в чистом виде. Поэтому величины свободной энтальпии их образования сравнивают в условиях некоторого стандартного раствора. Таким стандартным раствором был выбран одномоляльный водный раствор одного иона со свойствами идеального, т.е. бесконечно разбавленного, в стандартных условиях. Иными словами стандартное состояние растворенных ионов рассматривается в условиях их взаимодействии только с растворителем, который считается чистым веществом.

Выбор стандартных условий и состояний сопоставим с выбором горизонтальной плоскости для сопоставления гидростатических напоров. Конечно, такой выбор носит условный характер, и существуют другие подходы к определению стандартных условий и состояний, что определяется преимущественно удобствами решения конкретных задач.

Свободная энтальпия образования 1 моля любого вещества в стандартных условиях из атомов до стандартного состояния называется стандартной свободной энтальпией (энергией Гиббса) образования (standard free enthalpy of formation). Величины этого потенциала определяются путем сложных химических экспериментов и систематизируются в статьях, монографиях и справочной литературе, как правило, в виде сводных таблиц. Сам стандартный потенциал обычно обозначается индексами или , а его величины имеет отрицательное значение и размерность ккал/моль или Дж/моль. Стандартный потенциал служит мерой потенциальной энергии межатомных или межмолекулярных связей в отдельных химических образованиях. Зная величину стандартного потенциала, можно определить величину свободной энтальпии вещества в нестандартных условиях.