碳的燃烧吸热，还是放热？

       本文拟结合热量的热力学定义探讨该命题.

 1. 热量的热力学定义

       热力学热量是热力学过程发生时，系统与环境之间，用来改变系统无序（混乱）度的能量传递形式，记为：δQ≡T▪dS.

       热量是过程量，仅当热力学过程确定后，微分热才能积分，热力学热量的意义明确^[1].

 2. 碳燃烧数据

      本讨论仅考虑1摩尔的石墨及金刚石两种碳元素在25℃、100kPa下的完全燃烧. 对应的化学反应分别如下：

      C（s, 石墨）+O₂（g）→CO₂（g）        （1）

      C（s, 金刚石）+O₂（g）→CO₂（g）     （2）

有关物质的热力学数据参见表1.

                    表1. 有关物质的热力学数据（25℃、100kPa）^[2]   

 3. 热力学计算

   3.1 热力学计算原理

      依热力学公式 Δ_rH^θ_m=Σ（ν_i▪Δ_fH^θ_m,i）, Δ_rG^θ_m=Σ（ν_i▪Δ_fG^θ_m,i）及 Δ_rS^θ_m=Σ（ν_i▪S^θ_m,i）分别计算出碳燃烧反应的Δ_rH^θ_m、Δ_rG^θ_m及Δ_rS^θ_m的值；

      再依据恒温恒压下碳燃烧反应公式Q=T▪ Δ_rS^θ_m、W'=Δ_rG^θ_m及 Δ_rH^θ_m=Q+W'进行核算.

   3.2 石墨的燃烧

Δ_rH^θ_m（s，石墨）=Δ_fH^θ_m（g, CO₂）- Δ_fH^θ_m（g, O₂）-Δ_fH^θ_m（s，石墨）=-393.51-0-0=-393.51(kJ▪mol^-1)

Δ_rG^θ_m（s，石墨）=Δ_fG^θ_m（g, CO₂）- Δ_fG^θ_m（g, O₂）-Δ_fG^θ_m（s，石墨）=-394.36-0-0=-394.36(kJ▪mol^-1)

Δ_rS^θ_m（s，石墨）=S^θ_m（g, CO₂）- S^θ_m（g, O₂）-S^θ_m（s，石墨）=213.74-5.740-205.138=2.862(J▪mol^-1▪K^-1)

Q=T▪ Δ_rS^θ_m=298.15×2.862×10^-3=0.8533(kJ▪mol^-1) >0，表明石墨燃烧为吸热反应.

W'=Δ_rG^θ_m=-394.36(kJ▪mol^-1)

 Δ_rH^θ_m=Q+W'=0.8533+（-394.36）=-393.51(kJ▪mol^-1)，与热力学数据表计算结果完全一致.

   3.3 金刚石的燃烧

Δ_rH^θ_m（s，金刚石）=Δ_fH^θ_m（g, CO₂）- Δ_fH^θ_m（g, O₂）-Δ_fH^θ_m（s，金刚石）=-393.51-0-1.895=-395.40(kJ▪mol^-1)

Δ_rG^θ_m（s，金刚石）=Δ_fG^θ_m（g, CO₂）- Δ_fG^θ_m（g, O₂）-Δ_fG^θ_m（s，金刚石）=-394.36-0-2.900=-397.26(kJ▪mol^-1)

Δ_rS^θ_m（s，金刚石）=S^θ_m（g, CO₂）- S^θ_m（g, O₂）-S^θ_m（s，金刚石）=213.74-2.377-205.138=6.225(J▪mol^-1▪K^-1)

Q=T▪ Δ_rS^θ_m=298.15×6.225×10^-3=1.8556(kJ▪mol^-1) >0，表明金刚石燃烧为吸热反应.

W'=Δ_rG^θ_m=-397.26(kJ▪mol^-1)

Δ_rH^θ_m=Q+W'=1.8556+（-397.26）=-395.40(kJ▪mol^-1)，与热力学数据表计算结果完全一致.

 4. 结论

      由于熵变大于0，导致石墨或金刚石的燃烧反应为吸热反应.

 参考文献

[1]余高奇. 经典热力学的传热原理. http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2022,2.

[2]Lide D R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed. Chemical Co, 2008,17:2688.