有关固体、液体、气体溶于水后熵的变化？——由一道2022年1月浙江化学选考题引发的疑问？
好，我们来聊聊这道2022年1月浙江化学选考题所引发的关于物质溶于水后熵变化的疑问。这是一个非常有意思也很有深度的问题，因为它涉及到热力学中的核心概念——熵，以及不同物质状态在溶液中的行为差异。
首先，我们要明白“熵”在化学中代表什么。简单来说，熵是一个衡量一个系统混乱程度或无序度的物理量。一个系统的熵越高，它的状态就越混乱、越无序。
为什么会问这个问题？
这道题很可能是考察学生对“熵增”这一普遍规律的理解，以及在特定条件下（物质溶于水）这种规律是如何体现的。溶解过程通常是一个熵增的过程，因为溶质的粒子（分子或离子）从一个相对有序的聚集状态（固体、液体、气体）分散到溶剂（水）的无序分散状态。
那么，固体、液体、气体溶于水后，熵的变化有什么区别呢？
我们可以分开来看：
1. 固体溶于水：
初始状态： 固体物质通常具有高度有序的晶格结构（对于晶体固体）或者紧密排列的分子（对于无定形固体）。在这个状态下，粒子的位置和运动都受到很大的限制，系统的熵相对较低。
溶解过程： 当固体溶于水时，固体中的粒子（分子或离子）脱离了原来的晶格或聚集体，分散到水分子中。这些粒子在水中获得了更大的自由度，可以自由移动，与其他水分子发生相互作用。
熵变：
溶质本身的熵增： 溶质粒子从有序的固体状态进入无序的水溶液状态，其混乱程度显著增加，所以溶质本身的熵是增加的。
溶剂（水）的熵变： 这是一个比较微妙的地方。当溶质溶解时，水分子会围绕溶质粒子形成“溶剂化层”。如果溶质的离子电荷密度很高（例如一些强电解质），它们会强烈吸引水分子，使得这些水分子运动受限，形成一种相对有序的结构。这种情况会导致水的熵减少。
整体熵变： 最终的熵变是溶质熵增与水熵变（可能是负值）的总和。大多数情况下，溶质的熵增大于水熵减（或者水熵变可以忽略不计，特别是对于非极性或弱相互作用的溶质），所以固体溶于水通常表现为整体熵增。
举例： 食盐（NaCl）溶于水。Na+和Cl离子脱离晶格，在水中自由移动，增加了溶质的混乱度。但同时，水分子会围绕Na+和Cl形成水合离子，水分子本身的排列会变得相对有序，水的熵会降低。然而，离子本身获得的高度自由度和分散性带来的熵增更大，所以总体上熵是增加的。
2. 液体溶于水：
初始状态： 液体物质的粒子比固体更无序，粒子之间虽然有相互作用，但可以自由移动和滑过。其熵值比固体高。
溶解过程： 液体溶于水时，液体中的分子也会分散到水分子中。
熵变：
溶质本身的熵增： 液体溶质的粒子比固体有更高的初始熵。溶解后，它们在水中获得更大的运动自由度，也因此熵会增加。
溶剂（水）的熵变： 与固体类似，水分子也可能会围绕溶解的液体溶质分子形成溶剂化层。这种影响的程度取决于溶质分子的极性、大小和与水的相互作用能力。
整体熵变： 液体溶于水，通常也是一个熵增过程。因为溶质本身已经有一定程度的无序，溶解后进一步分散，整体混乱度会增加。
举例： 乙醇（酒精）溶于水。乙醇分子在水中分散，获得了更多的移动空间。乙醇分子和水分子之间存在氢键，形成了一定的相互作用，可能会对水的结构产生一定影响，但乙醇分子本身的自由度增加是主要的因素，整体熵仍然是增加的。
3. 气体溶于水：
初始状态： 气体的粒子之间几乎没有相互作用，以极高的速度做随机运动，占据了容器的全部空间。气体的熵是所有状态中最高的。
溶解过程： 当气体溶于水时，气体分子被限制在液体（水）的体积内，并且在水中受到水分子相互作用的影响。
熵变：
溶质本身的熵增/减： 从极度无序的、占据整个容器的气体状态，变成被限制在水溶液中的状态。虽然气体分子在水中可以自由移动，但是空间的限制（从整个容器缩小到溶液体积）以及与水分子之间的相互作用（特别是极性气体与水），使得气体分子的运动自由度相对而言是降低了。这意味着气体溶于水，溶质本身的熵是减小的。
溶剂（水）的熵变： 气体分子在水中会分散开，并且可能与水分子形成相互作用（如氢键、偶极偶极作用）。这些作用也会影响水的排列，可能导致水分子在某些区域变得更有序，从而水的熵也可能减少。
整体熵变： 气体溶于水，由于溶质本身熵的显著减小（空间的限制和与水的相互作用），通常是一个熵减的过程，或者是一个微小的熵增，具体取决于溶质与水的相互作用强度。
举例： 氧气（O2）或氮气（N2）溶于水。氧气和氮气是非极性分子，与水分子之间的相互作用较弱。它们被限制在水中，运动自由度受到限制，熵会减小。同时，水分子也可能因为容纳氧气分子而产生轻微的结构改变，水的熵也可能略有降低。因此，气体溶于水的整体熵变化通常是负值（熵减），或者接近于零。
总结一下，不同状态物质溶于水后的熵变化倾向：
固体溶于水： 熵显著增加（溶质熵增大于水熵减）。
液体溶于水： 熵增加（溶质熵增，水熵可能有小幅变化）。
气体溶于水： 熵减小或变化很小（溶质熵减大，水熵也可能减小）。
为什么会这样？
关键在于：
1. 初始状态的有序/无序程度： 固体最有序，气体最无序。从越有序的状态进入溶液，熵增的潜力越大。
2. 溶解后自由度的变化： 溶质粒子在溶液中获得的运动自由度。
3. 溶剂化作用对溶剂（水）的影响： 溶质与水分子之间的相互作用，导致水分子排列的变化。
这道2022年1月浙江化学选考题可能侧重考查的点：
物质状态与熵的关系。
溶解过程中的熵变原理。
对气体溶解于水时熵减这一反直觉现象的理解。 很多学生可能会想当然地认为溶解总是熵增，但对于气体来说，空间的限制是导致熵减的关键因素。
希望我这样详细的解释，能够解答你由这道题引发的疑问。这是一个需要深入理解基本概念才能完全掌握的问题。
首先，我们要明白“熵”在化学中代表什么。简单来说，熵是一个衡量一个系统混乱程度或无序度的物理量。一个系统的熵越高，它的状态就越混乱、越无序。
为什么会问这个问题？
这道题很可能是考察学生对“熵增”这一普遍规律的理解，以及在特定条件下（物质溶于水）这种规律是如何体现的。溶解过程通常是一个熵增的过程，因为溶质的粒子（分子或离子）从一个相对有序的聚集状态（固体、液体、气体）分散到溶剂（水）的无序分散状态。
那么，固体、液体、气体溶于水后，熵的变化有什么区别呢？
我们可以分开来看：
1. 固体溶于水：
初始状态： 固体物质通常具有高度有序的晶格结构（对于晶体固体）或者紧密排列的分子（对于无定形固体）。在这个状态下，粒子的位置和运动都受到很大的限制，系统的熵相对较低。
溶解过程： 当固体溶于水时，固体中的粒子（分子或离子）脱离了原来的晶格或聚集体，分散到水分子中。这些粒子在水中获得了更大的自由度，可以自由移动，与其他水分子发生相互作用。
熵变：
溶质本身的熵增： 溶质粒子从有序的固体状态进入无序的水溶液状态，其混乱程度显著增加，所以溶质本身的熵是增加的。
溶剂（水）的熵变： 这是一个比较微妙的地方。当溶质溶解时，水分子会围绕溶质粒子形成“溶剂化层”。如果溶质的离子电荷密度很高（例如一些强电解质），它们会强烈吸引水分子，使得这些水分子运动受限，形成一种相对有序的结构。这种情况会导致水的熵减少。
整体熵变： 最终的熵变是溶质熵增与水熵变（可能是负值）的总和。大多数情况下，溶质的熵增大于水熵减（或者水熵变可以忽略不计，特别是对于非极性或弱相互作用的溶质），所以固体溶于水通常表现为整体熵增。
举例： 食盐（NaCl）溶于水。Na+和Cl离子脱离晶格，在水中自由移动，增加了溶质的混乱度。但同时，水分子会围绕Na+和Cl形成水合离子，水分子本身的排列会变得相对有序，水的熵会降低。然而，离子本身获得的高度自由度和分散性带来的熵增更大，所以总体上熵是增加的。
2. 液体溶于水：
初始状态： 液体物质的粒子比固体更无序，粒子之间虽然有相互作用，但可以自由移动和滑过。其熵值比固体高。
溶解过程： 液体溶于水时，液体中的分子也会分散到水分子中。
熵变：
溶质本身的熵增： 液体溶质的粒子比固体有更高的初始熵。溶解后，它们在水中获得更大的运动自由度，也因此熵会增加。
溶剂（水）的熵变： 与固体类似，水分子也可能会围绕溶解的液体溶质分子形成溶剂化层。这种影响的程度取决于溶质分子的极性、大小和与水的相互作用能力。
整体熵变： 液体溶于水，通常也是一个熵增过程。因为溶质本身已经有一定程度的无序，溶解后进一步分散，整体混乱度会增加。
举例： 乙醇（酒精）溶于水。乙醇分子在水中分散，获得了更多的移动空间。乙醇分子和水分子之间存在氢键，形成了一定的相互作用，可能会对水的结构产生一定影响，但乙醇分子本身的自由度增加是主要的因素，整体熵仍然是增加的。
3. 气体溶于水：
初始状态： 气体的粒子之间几乎没有相互作用，以极高的速度做随机运动，占据了容器的全部空间。气体的熵是所有状态中最高的。
溶解过程： 当气体溶于水时，气体分子被限制在液体（水）的体积内，并且在水中受到水分子相互作用的影响。
熵变：
溶质本身的熵增/减： 从极度无序的、占据整个容器的气体状态，变成被限制在水溶液中的状态。虽然气体分子在水中可以自由移动，但是空间的限制（从整个容器缩小到溶液体积）以及与水分子之间的相互作用（特别是极性气体与水），使得气体分子的运动自由度相对而言是降低了。这意味着气体溶于水，溶质本身的熵是减小的。
溶剂（水）的熵变： 气体分子在水中会分散开，并且可能与水分子形成相互作用（如氢键、偶极偶极作用）。这些作用也会影响水的排列，可能导致水分子在某些区域变得更有序，从而水的熵也可能减少。
整体熵变： 气体溶于水，由于溶质本身熵的显著减小（空间的限制和与水的相互作用），通常是一个熵减的过程，或者是一个微小的熵增，具体取决于溶质与水的相互作用强度。
举例： 氧气（O2）或氮气（N2）溶于水。氧气和氮气是非极性分子，与水分子之间的相互作用较弱。它们被限制在水中，运动自由度受到限制，熵会减小。同时，水分子也可能因为容纳氧气分子而产生轻微的结构改变，水的熵也可能略有降低。因此，气体溶于水的整体熵变化通常是负值（熵减），或者接近于零。
总结一下，不同状态物质溶于水后的熵变化倾向：
固体溶于水： 熵显著增加（溶质熵增大于水熵减）。
液体溶于水： 熵增加（溶质熵增，水熵可能有小幅变化）。
气体溶于水： 熵减小或变化很小（溶质熵减大，水熵也可能减小）。
为什么会这样？
关键在于：
1. 初始状态的有序/无序程度： 固体最有序，气体最无序。从越有序的状态进入溶液，熵增的潜力越大。
2. 溶解后自由度的变化： 溶质粒子在溶液中获得的运动自由度。
3. 溶剂化作用对溶剂（水）的影响： 溶质与水分子之间的相互作用，导致水分子排列的变化。
这道2022年1月浙江化学选考题可能侧重考查的点：
物质状态与熵的关系。
溶解过程中的熵变原理。
对气体溶解于水时熵减这一反直觉现象的理解。 很多学生可能会想当然地认为溶解总是熵增，但对于气体来说，空间的限制是导致熵减的关键因素。
希望我这样详细的解释，能够解答你由这道题引发的疑问。这是一个需要深入理解基本概念才能完全掌握的问题。
网友意见
前几天收到有人留言说我压中了浙江化学考题。。。原来是这道啊。
原回答在此
溶质溶于水，不仅要考虑溶质的熵变，还要考虑溶剂的熵变。溶质的熵变一定是大于0的，但是溶剂的熵变一般是小于0的，最后的总熵变是两者之和。
所以对于水合效应明显的盐，比如CaCl2，那么溶于水之后水的熵减（变得更有序）更明显，所以熵变是小于0的。
对于水合效应不够明显的盐，比如NaCl，此时溶质的熵增占主导，所以总熵变是大于0的。
如果你看了我的上述知乎回答，你不会答错这道题的(doge)——至于气体嘛，在常温常压下，溶于水应该一定是熵减的吧（我觉得）。如果有反例欢迎来打脸。
那么这道题超纲了吗？
如果你对于物理化学的理解非常肤浅，在恒温恒压的条件下，你只认准了ΔG判据，那么你就会选择正确的答案D；
如果你对于物理化学有了一点略深入的了解，那么你就会去多想这个ΔS应该是肯定大于0的，会选择错误的答案C；
如果你对于物理化学有了更加深入的了解，你就直接自信选D了。
正所谓是学习的三种境界——
看山是山
看山不是山
看山还是山
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