Keadaan piawai

Dalam kimia, keadaan piawai bahan (bahan tulen, campuran atau larutan) ialah titik rujukan yang digunakan untuk mengira sifatnya dalam keadaan yang berbeza. Bulatan superskrip ° (simbol darjah) atau aksara Plimsoll (⦵) digunakan untuk menetapkan kuantiti termodinamik dalam keadaan piawai, seperti perubahan dalam entalpi (ΔH°), perubahan dalam entropi (ΔS°), atau perubahan tenaga bebas Gibbs (ΔG°).^[1][2] Simbol darjah telah tersebar luas, walaupun Plimsoll disyorkan dalam piawaian, lihat perbincangan tentang susunan huruf di bawah.

Pada dasarnya, pilihan keadaan piawai adalah sewenang-wenangnya, walaupun Kesatuan Kimia Tulen dan Gunaan Antarabangsa (IUPAC) mengesyorkan set keadaan piawai konvensional untuk kegunaan umum. Keadaan piawai tidak boleh dikelirukan dengan suhu dan tekanan piawai (STP) untuk gas, mahupun dengan larutan piawai yang digunakan dalam kimia analitik. STP biasanya digunakan untuk pengiraan yang melibatkan gas yang menghampiri gas ideal, manakala keadaan keadaan piawai digunakan dalam pengiraan termodinamik.^[3]

Untuk bahan atau bahan tertentu, keadaan piawai ialah keadaan rujukan untuk sifat keadaan termodinamik bahan seperti entalpi, entropi, tenaga bebas Gibbs dan untuk banyak piawaian bahan lain. Perubahan entalpi pembentukan piawai unsur dalam keadaan piawainya ialah sifar, dan konvensyen ini membenarkan pelbagai kuantiti termodinamik lain untuk dikira dan dijadualkan. Keadaan standard bahan tidak perlu wujud dalam alam semula jadi: sebagai contoh, adalah mungkin untuk mengira nilai stim pada 298.15 K dan 105 Pa, walaupun wap tidak wujud (sebagai gas) di bawah keadaan ini. Kelebihan amalan ini ialah jadual sifat termodinamik yang disediakan dengan cara ini adalah konsisten sendiri.

Keadaan piawai konvensional

Banyak keadaan piawai adalah keadaan bukan fizikal, sering dirujuk sebagai "keadaan hipotesis". Namun begitu, sifat termodinamiknya ditakrifkan dengan baik, biasanya melalui ekstrapolasi daripada beberapa keadaan terhad, seperti tekanan sifar atau kepekatan sifar, kepada keadaan tertentu (biasanya kepekatan unit atau tekanan) menggunakan fungsi ekstrapolasi yang ideal, seperti penyelesaian ideal atau ideal. tingkah laku gas, atau dengan ukuran empirikal. Tegasnya, suhu bukan sebahagian daripada definisi keadaan piawai. Walau bagaimanapun, kebanyakan jadual kuantiti termodinamik disusun pada suhu tertentu, selalunya 298.15 K (25.00 °C; 77.00 °F) atau, agak kurang biasa, 273.15 K (0.00 °C; 32.00 °F).^[3]

Gas

Keadaan piawai untuk gas ialah keadaan hipotesis yang akan dimilikinya sebagai bahan tulen yang mematuhi persamaan gas unggul pada tekanan piawai. IUPAC mengesyorkan menggunakan tekanan piawai p^⦵ atau P° bersamaan dengan 105 Pa, atau 1 bar.^[4] Tiada gas sebenar yang mempunyai kelakuan ideal yang sempurna, tetapi takrifan keadaan piawai ini membenarkan pembetulan untuk bukan idealiti dibuat secara konsisten untuk semua gas yang berbeza.

Cecair dan pepejal

Keadaan piawai bagi cecair dan pepejal ialah keadaan bahan tulen yang tertakluk kepada jumlah tekanan 105 Pa (atau 1 bar). Bagi kebanyakan elemen, titik rujukan ΔH_f^⦵= 0 ditakrifkan untuk alotrop unsur yang paling stabil, seperti grafit dalam kes karbon, dan fasa β ( tin putih) dalam kes timah. Pengecualian ialah fosforus putih, alotrop fosforus yang paling biasa, yang ditakrifkan sebagai keadaan piawai walaupun pada hakikatnya ia hanya metastabil.^[5]

Larutan

Untuk bahan dalam larutan (pelarut), keadaan piawai C° biasanya dipilih sebagai keadaan hipotesis yang akan ada pada kemolalan keadaan piawai atau kepekatan jumlah tetapi mempamerkan tingkah laku pencairan tak terhingga (di mana tiada interaksi bahan larut-larutan, tetapi interaksi bahan terlarut-pelarut hadir).^[4] Sebab bagi takrifan luar biasa ini ialah tingkah laku zat terlarut pada had pencairan tak terhingga diterangkan oleh persamaan yang hampir sama dengan persamaan untuk gas ideal. Oleh itu, mengambil tingkah laku pencairan tak terhingga sebagai keadaan piawai membolehkan pembetulan untuk bukan ideal dibuat secara konsisten untuk semua bahan larut yang berbeza. Molaliti keadaan piawai ialah 7000100000000000000♠1, manakala kemolaran keadaan piawai ialah 7000100000000000000♠1.

Pilihan lain mungkin. Contohnya, penggunaan kepekatan keadaan piawai 10 ⁻⁷ mol/L untuk ion hidrogen dalam larutan akueus sebenar adalah biasa dalam bidang biokimia.^[6][7] Dalam bidang aplikasi lain seperti elektrokimia, keadaan piawai kadangkala dipilih sebagai keadaan sebenar larutan sebenar pada kepekatan piawai (selalunya 7000100000000000000♠1).^[8] Pekali aktiviti tidak akan berpindah dari konvensyen ke konvensyen, dan oleh itu, sangat penting untuk mengetahui dan memahami konvensyen yang digunakan dalam pembinaan jadual sifat termodinamik piawai sebelum menggunakannya untuk menerangkan penyelesaian.

Bahan penjerap

Bagi molekul yang terjerap pada permukaan, terdapat pelbagai konvensyen yang dicadangkan berdasarkan keadaan piawai hipotesis. Bagi penjerapan yang berlaku pada tapak tertentu (isoterma penjerapan Langmuir), keadaan piawai yang paling biasa ialah liputan relatif θ° = 0.5, kerana pilihan ini mengakibatkan pembatalan istilah entropi konfigurasi, dan juga konsisten dengan pengabaian untuk memasukkan keadaan piawai yang merupakan ralat biasa.^[9] Kelebihan menggunakan θ° = 0.5 ialah istilah konfigurasi membatalkan dan entropi yang diekstrak daripada analisis termodinamik dengan itu mencerminkan perubahan intramolekul antara fasa pukal (seperti gas atau cecair) dan keadaan terjerap. Mungkin terdapat manfaat untuk menjadualkan nilai berdasarkan kedua-dua keadaan standard berasaskan liputan relatif dan dalam lajur tambahan keadaan standard berasaskan liputan mutlak. Untuk keadaan gas 2D, komplikasi keadaan diskret tidak timbul, dan keadaan piawai asas ketumpatan mutlak telah dicadangkan, serupa bagi fasa gas 3D.^[9]

Penulisan

Pada masa pembangunan pada abad ke-19, simbol Plimsoll superskrip (^⦵) telah diterima pakai untuk menunjukkan sifat bukan sifar bagi keadaan piawai.^[10] IUPAC mengesyorkan dalam edisi ketiga Kuantiti, Unit dan Simbol dalam Kimia Fizikal, satu simbol yang kelihatan seperti tanda darjah (°) sebagai pengganti tanda plimsoll. Dalam penerbitan yang sama, tanda {limsoll nampaknya dibina dengan menggabungkan garisan mendatar dengan tanda darjah.^[11] Pelbagai simbol yang serupa digunakan dalam kesusasteraan: huruf kecil O (^o),^[12] sifar superskrip (⁰)^[13] atau bulatan dengan bar mendatar sama ada di mana bar melepasi sempadan bulatan (U+29B5 ⦵ CIRCLE WITH HORIZONTAL BAR) atau di dalam sempadan, sekali gus membahagikan bulatan menjadi separuh (U+2296 ⊖ CIRCLED MINUS).^[14][15]

Ian M. Mills, yang terlibat dalam menghasilkan semakan Kuantiti, Unit dan Simbol dalam Kimia Fizikal mencadangkan superskrip sifar (${\displaystyle ^{0}}$) ialah alternatif yang sama untuk menunjukkan "keadaan piawai", walaupun simbol darjah (°) digunakan dalam artikel yang sama.^[16] Simbol darjah telah digunakan secara meluas dalam buku teks kimia am, bukan organik dan fizikal dalam beberapa tahun kebelakangan ini.^[17][18][19]

Lihat juga

• Suhu dan tekanan piawai
• Entropi molar piawai

Rujukan

1. Toolbox, Engineering (2017). "Standard state and enthalpy of formation, Gibbs free energy of formation, entropy and heat capacity". Engineering ToolBox - Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications!. www.EngineeringToolBox.com. Dicapai pada 2019-12-27.
2. Helmenstine, PhD, Ann Marie (March 8, 2019). "What Are Standard State Conditions? - Standard Temperature and Pressure". Science, Tech, Math > Science. thoughtco.com. Dicapai pada 2019-12-27.
3. Helmenstine, PhD, Ann Marie (July 6, 2019). "Standard Conditions Versus Standard State". Science, Tech, Math > Science. thoughtco.com. Dicapai pada 2020-09-06.
4. "Activities and their Effects on Equilibria". Chemistry LibreTexts (dalam bahasa Inggeris). 29 January 2016.
5. Housecroft C.E. and Sharpe A.G., Inorganic Chemistry (2nd ed., Pearson Prentice-Hall 2005) p.392
6. Chang, Raymond; Thoman, John W. Jr. (2014). Physical Chemistry for the Chemical Sciences. New York: University Science Books. m/s. 346–347.
7. Sherwood, Dennis; Dalby, Paul (2018). Modern Thermodynamics for Chemists and Biochemists. Oxford Scholarship Online. doi:10.1093/oso/9780198782957.003.0023. ISBN 978-0-19-878295-7. Dicapai pada 18 May 2021.
8. Chang, Raymond; Thoman, John W. Jr. (2014). Physical Chemistry for the Chemical Sciences. New York: University Science Books. m/s. 228–231.
9. Savara, Aditya (2013). "Standard States for Adsorption on Solid Surfaces: 2D Gases, Surface Liquids, and Langmuir Adsorbates". J. Phys. Chem. C. 117 (30): 15710–15715. doi:10.1021/jp404398z.
10. Prigogine, I. & Defay, R. (1954) Chemical thermodynamics, p. xxiv
11. 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
12. IUPAC (1993) Quantities, units and symbols in physical chemistry (also known as The Green Book) (2nd ed.), p. 51
13. Narayanan, K. V. (2001) A Textbook of Chemical Engineering Thermodynamics (8th printing, 2006), p. 63
14. "Miscellaneous Mathematical Symbols-B" (PDF). Unicode. 2013. Dicapai pada 2013-12-19.
15. Mills, I. M. (1989) "The choice of names and symbols for quantities in chemistry". Journal of Chemical Education (vol. 66, number 11, November 1989 p. 887–889) [Note that Mills refers to the symbol ⊖ (Unicode 2296 "Circled minus" as displayed in https://www.unicode.org/charts/PDF/U2980.pdf) as a plimsoll symbol although it lacks an extending bar in the printed article.]
16. Mills, I. M. (1989) "The choice of names and symbols for quantities in chemistry". Journal of Chemical Education (vol. 66, number 11, November 1989 p. 887–889) [Note that Mills refers to the symbol ⊖ (Unicode 2296 "Circled minus" as displayed in https://www.unicode.org/charts/PDF/U2980.pdf) as a plimsoll symbol although it lacks an extending bar in the printed article.]
17. Flowers, Paul; Theopold, Klaus; Langley, Richard; Robinson, William R.; Frantz, Don; Hooker, Paul; Kaminski, George; Look, Jennifer; Martinez, Carol. "5.3 Enthalpy". Chemistry 2e. Open Stax. Dicapai pada 9 April 2022. We will include a superscripted “o” in the enthalpy change symbol to designate standard state.
18. Miessler, Gary L.; Fischer, Paul J.; Tarr, Donald A. (2014). Inorganic Chemistry (ed. 5th). New Jersey: Pearson Education. m/s. 438.
19. Chang, Raymond; Thoman, John W. Jr. (2014). Physical Chemistry for the Chemical Sciences. New York: University Science Books. m/s. 101. The symbol for a standard state is a 'circle' superscript

Bibliografi

• International Union of Pure and Applied Chemistry (1982). "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. 54 (6): 1239–50. doi:10.1351/pac198254061239.
• IUPAC–IUB–IUPAB Interunion Commission of Biothermodynamics (1976). "Recommendations for measurement and presentation of biochemical equilibrium data". J. Biol. Chem. 251 (22): 6879–85. doi:10.1016/S0021-9258(17)32917-4.