Τι είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs;

Βασικές έννοιες

Ενέργεια δωρεάν Gibbs είναι μια σημαντική τιμή στη θερμοδυναμική που σας επιτρέπει να προβλέψετε πτυχές μιας χημικής αντίδρασης. Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε γιατί η εξίσωση ελεύθερης ενέργειας Gibbs είναι σημαντική και πώς να λύνουμε προβλήματα στα οποία εμπλέκεται. Θα ορίσουμε επίσης τι είναι η αυθόρμητη αντίδραση.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Τι είναι η ειδική θερμότητα;
• Τύποι χημικών αντιδράσεων
• Χημικές εξισώσεις εξισορρόπησης
• Νόμος για το ιδανικό αέριο
• Εξίσωση του νόμου του Hess
• Ενδόθερμες έναντι εξώθερμων αντιδράσεων

Λεξιλόγιο

• Αυθόρμητη αντίδραση: μια αντίδραση που εξελίσσεται χωρίς καμία εξωτερική δύναμη να ασκείται στο σύστημα, όπως η θερμοκρασία.
• Ενθαλπία (Η): τη συνολική θερμότητα σε ένα σύστημα αντίδρασης.
• Εντροπία (S): μια τιμή που περιγράφει την ποσότητα της αταξίας σε ένα σύστημα, με υψηλότερη τιμή εντροπίας να έχει περισσότερη αταξία. Για παράδειγμα, ένα στερεό θα μπορούσε να θεωρηθεί σύστημα με τάξη (χαμηλή εντροπία) και ένα υγρό ή ένα αέριο θα είχε μεγαλύτερη αταξία (υψηλή εντροπία).
• Εξεργονική: όταν μια αντίδραση είναι αυθόρμητη.
• Endergonic: όταν μια αντίδραση είναι μη αυθόρμητη.

Ορισμός αυθόρμητης αντίδρασης

Μια αυθόρμητη αντίδραση είναι μια αντίδραση που ευνοεί τον σχηματισμό των προϊόντων. Οι αντιδράσεις που έχουν μείωση της ενέργειας, και αύξηση της εντροπίας, θα είναι αυθόρμητες. Η τιμή G, που ορίζεται παρακάτω, θα σας βοηθήσει να προβλέψετε εάν μια αντίδραση είναι αυθόρμητη.

Είναι σημαντικό να έχετε κατά νου ότι μια αυθόρμητη αντίδραση είναι αυτή που εμφανίζεται χωρίς καμία συνεχιζόμενη εξωτερική παρέμβαση ή παρατεταμένη εισαγωγή ενέργειας. Ορισμένες αυθόρμητες αντιδράσεις, όπως 2H₂ (ζ) + O₂ (ζ) -> 2Η₂ Το O(g) θα χρειαστεί έναν σπινθήρα (ένας τύπος ενέργειας ενεργοποίησης) για να ξεκινήσει πραγματικά η αντίδραση.

Τι είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs;

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs (G) είναι μια τιμή που ορίζει πόσο αυθόρμητη είναι μια αντίδραση, με αρνητική τιμή που σημαίνει ότι η αντίδραση είναι αυθόρμητη και μια θετική τιμή που σημαίνει ότι η αντίδραση είναι μη αυθόρμητη. Αυτή η τιμή είναι ο συνδυασμός ενθαλπίας (H) και εντροπίας (S).

Τι είναι η εξίσωση ελεύθερης ενέργειας Gibbs;

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs, η ενθαλπία και η εντροπία μπορούν όλα να συσχετιστούν σε μια απλή εξίσωση. Σε αυτόν τον τύπο, τα G, H και S εκφράζονται με ένα Δ(δέλτα), που δείχνει τη μεταβολή αυτών των τιμών σε σχέση με την αντίδραση. Η εξίσωση είναι η εξής:

∆G=∆H – T∆S

Για να ισχύει αυτή η εξίσωση, πρέπει να κάνουμε δύο υποθέσεις:

• Η θερμοκρασία παραμένει σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια της αντίδρασης.
• Η πίεση παραμένει σταθερή καθ' όλη τη διάρκεια της αντίδρασης.

Πώς να λύσετε ένα πρόβλημα ελεύθερης ενέργειας Gibbs

Η επίλυση ενός προβλήματος ελεύθερης ενέργειας Gibbs μπορεί να είναι εύκολη εάν σας δοθεί καθεμία από τις τιμές που αναφέρονται στον τύπο. Ας ξεκινήσουμε με αυτήν την εξίσωση αντίδρασης:

Μπορούμε να προσδιορίσουμε αν αυτή η αντίδραση είναι αυθόρμητη; Ακολουθούν οι δεδομένες συνθήκες:

• Θερμοκρασία:25°C
• ∆H:-90 kJ/mol
• ∆S:-200 kJ/mol K

Σημαντικό: Για να ισχύει αυτή η εξίσωση, η θερμοκρασία πρέπει να μετατραπεί σε Kelvin. Μπορούμε εύκολα να μετατρέψουμε τον Κελσίου σε Kelvin προσθέτοντας 273 K στη θερμοκρασία σε Κελσίου για να πάρουμε την τιμή του σε Kelvin. Σε αυτήν την περίπτωση, 273 + 25=298K. Τώρα που έχουμε μετατρέψει τη θερμοκρασία, το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να συνδέσουμε αυτές τις τιμές στην εξίσωση!

∆G=∆H – T∆S
∆G= -90 kJ/mol – (298K)(-200 kJ/mol K)
∆G=-90 kJ/mol +59600 kJ/mol
∆G=59510 kJ/mol

Εφόσον η τιμή ΔG είναι θετική, αυτή η αντίδραση είναι μη αυθόρμητη , ή ένα ενεργονικό αντίδραση.

Περαιτέρω παραδείγματα

Τώρα που ξέρουμε πώς να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση για να βρούμε το ΔG, μπορούμε να δοκιμάσουμε περισσότερα προβλήματα που αφορούν το ΔG. Συγκεκριμένα, αν δοθεί ΔG, μπορούμε να λύσουμε οποιαδήποτε από τις άλλες μεταβλητές της εξίσωσης. Ας προσπαθήσουμε να λύσουμε το ΔS στο παρακάτω πρόβλημα.

Ακολουθούν οι δεδομένες συνθήκες:

• Θερμοκρασία:25°C
• ∆H:28 kJ/mol
• ∆G:-4,4 kJ/mol

Ξεκινάμε αναδιατάσσοντας την εξίσωση για να λύσουμε το ΔS.
∆G=∆H – T∆S
∆G + T∆S=∆Η
T∆S=∆H – ∆G
∆S=(∆H – ∆G)/T

Τώρα που έχουμε λύσει το ΔS, μπορούμε να συνδέσουμε τις τιμές μας στην εξίσωση. Παρόμοια με το τελευταίο πρόβλημα, πρέπει να μετατρέψουμε τη θερμοκρασία σε Kelvin, που είναι 298 K ξανά σε αυτό το παράδειγμα.

∆S=[28 kJ/mol – (-4,4 kJ/mol)]/298 K
∆S=32,4 kJ/mol/298K
∆S=0,11 kJ/mol K=110 J/ mol K

Περαιτέρω ανάγνωση

• Επίλυση προβλημάτων στοιχειομετρίας
• Υπολογισμός μοριακής μάζας
• Τι είναι οι δεσμοί υδρογόνου;
• Στερεά, υγρά και αέρια