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“它很稳定,化学性质不活泼”——是中学化学领域经常的“口头禅”。如学习元素周期表和周期律时,就有一条非常重要性质比较,如“比较A、B两种元素的简单气态氢化物的稳定性”。那么,物质的稳定性到底是什么意思?它与热稳定性有差异吗?这两个概念能混为一谈嘛?
简单来说,物质的稳定性是一个总称,含义广泛,需要根据具体语境来做具体判断;热稳定性是应该物质稳定性中一个特定的、重要的子集属性的概念。下面尝试进行诌论。
一、 “物质的稳定性”是什么意思?
“物质的稳定性”指的是物质保持其现有化学组成和结构,抵抗发生变化的倾向。这种“变化”可以是分解、反应、异构化等。关键在于,这种抵抗变化的能力原因可能是多方面的,因此“稳定性”一词需要结合具体背景来理解。
主要分为以下两大类:
1. 热力学稳定性
热力学稳定性指物质在热力学上是否倾向于转变为其他物质。这是一个“是否会发生”的问题,由系统的始态和终态的自由能差(ΔG) 决定。如果一个物质相对于其可能的产物(或特定参照物,如单质)具有更低的吉布斯自由能(G),那么它在热力学上就是稳定的。因为,ΔG < 0 的过程才会自发进行。
例如,金刚石与石墨比较:在常温常压下,石墨的吉布斯自由能比金刚石低,所以石墨是热力学稳定性比金刚石更好。当然,金刚石有转变为石墨的热力学趋势(尽管极其缓慢)。
又如,2NH₃(g) ⇌ N₂(g) + 3H₂(g) ΔG < 0 ,在标准态下,氨气倾向于分解为氮气和氢气。因此,相对于其分解产物,氨气是热力学不稳定的。
2. 动力学稳定性
动力学稳定性指物质发生变化的速率快慢,由反应的活化能(Ea)决定。 即使一个过程在热力学上是自发的(ΔG < 0),但如果反应的活化能非常高,导致反应速率极慢,在观测时间内几乎看不到变化,我们就说该物质具有高的动力学稳定性。
如金刚石,它尽管热力学稳定性弱于石墨,但金刚石转变为石墨需要打破极其坚固的C-C键(尤其是离域大派键的存在)并重组,活化能极高,所以在常温常压下,这个转变过程慢到可以忽略不计。因此,可以说金刚石的动力学稳定性好。
又如,常温下的氢气与氧气混合物:生成水的反应ΔG远小于0,热力学上极其有利。但在没有火花或催化剂的情况下,反应活化能很高,混合气体可以长期存在而不反应,表现出动力学稳定性。
由此可见,当人们笼统地说“某物质很稳定”时,可能指的是:热力学稳定(它没有变化的趋势),也可能是动力学稳定(它变化得非常非常慢),或两者兼有。
二、 物质的“热稳定性”是什么意思?
热稳定性是物质稳定性在特定条件(受热) 和特定变化(热分解)下的体现。 即热稳定性是指物质在受热时,抵抗发生分解或结构破坏的能力。它衡量的是物质对热的“耐受度”。热稳定性主要是一个热力学和动力学结合的概念,但通常用实验可测的温度来量化。在热力学层面,决定了在某温度下该物质分解反应是否可能发生(ΔG是否变负)。
在动力学层面,体现了在可能发生的温度下,反应的实际速率有多快(需要多高的实际温度才能观察到明显分解)。一般,通常用分解温度来表征热稳定性强弱,分解温度越高热稳定性越好。
例如,碳酸盐的热稳定性:BeCO₃ < MgCO₃ < CaCO₃ < SrCO₃ < BaCO₃(可以结合离子极化的热力学理论解释),实验测量它们受热分解所需温度是依次升高的。
三、 稳定性与热稳定性的关系与差异
下面的表格或许能更细致展示出二者的区别与联系:

由上面分析来判断,周期律中运用元素非金属强弱比较简单气态氢化物的稳定性强弱,此处的稳定性应该特指“热稳定性”!
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