第二章 化学反应的两端：原子与分子

2.3反应的可能性

       前面我们讲了一个化学反应的本质就是化学键的断裂与生产，断裂需要能量，而生产则放出能量，那么我们是不是可以认为一个反应如果放出的断裂需要的能量小于生成时放出的能量反应就能够发生呢？比如炭火的燃烧就是这样。这种理解方式方向来说没有问题，但却不够充分，试想一下电解水制备氢气的过程，一旦把能源供给断开，反应便会停止，这过程中的确是有氢气和氧气的生产，自然也是一个化学反应。实际上我们把能够放出热量的反应称为放热反应（我们根据反应前后能量变化情况记为△H＜0），反之称为吸热反应（△H＞0）。这个定义也直接说明了吸热或者放热不是化学反应能否进行的充分条件。

        这里我们就简单补充下热的概念，分子是一个不断做着不规则运动且有一定间距的微粒，它们之间就难免不断碰撞，碰撞之间就会产生能量，而且这个分子之间的间距前面也说过，也是蕴含一定能量的，这种能量之间的综合我们称之为内能，外在表现形式就是热。

       化学反应乃至整个宇宙中，普遍存在一种现象叫做熵增（记为△s＞0），就是一个物质在自然状态下从有序状态变成一种无序状态的过程。这个很好理解，比如我可以把一勺糖加到水里，不需要任何处理，它也能变成一杯糖水，反之一杯糖水里不可能自己出来一勺糖一样，这个过程就是熵增。当然有人会说那我把水蒸干不久行了？可是在蒸干的过程中我们需要热量，热量是需要原材料产生的，把糖变有序的过程，其实付出了更多熵增的代价。如果宇宙作为一个统一的整体，熵增就是一个完全不可逆的过程。但是就某个化学反应而言，这个体系是很小的，它完全可以通过外界的能量来实现这个过程的逆转，即达到熵减的目的。同样反应体系中也存在熵减，这就是说，分子也会距离越来越远，导致其内部能量降低，也就是说熵减的结果也会导致一个反应更倾向于放热。

       根据一个反应是否放热，是否熵增，化学家先贤们，通过实验及计算定义了一个叫自由能的概念，可以知道我们判断一个化学反应的反生与否。这个公式（吉布斯自由能）是这个样子的：△G=△H-T△S。到这里我们就可以讨论一个反应的可能与否了，不过我们不在这里讨论一个公式的推到过程，太繁琐也没必要。我们前面讨论了一个体系更倾向于熵增过程，那么这个结果就显而易见，放热，熵增最终的结果就是△G≤0，这就是我们判断一个反应是否能够进行的根本。有这样一个结果我们就可以明白如果一个反应体系是一个吸热反应，但是生产了更为无序的物质，那么它也是可以进行的，这就是为什么我们看到电解水需要时时刻刻的通电供给能量，因为气体的氢气和氧气比液体的水更为无序，整个反应的△G＜0；同样对于碳的燃烧也是，氧气和二氧化碳都是气态，但反应是放热的，所以这个反应也是可以发生的。至于其他的反应如何判断，都是可以通过计算来分析的，而计算的数据在化学领域是有专门的数据表的。

      通过以上讨论，我们就明白了如何判断一个化学反应是否能够发生，这种发生只是一种方向，但是氢气的燃烧可以一下就发生，而铜生锈产生铜绿则是一个漫长的过程，至于一个反应能够发生，它的速度快慢则是另外另外的考量了。我们下一节再进行反应速率的讨论。