Σχέση ελεύθερης ενέργειας και σταθεράς ισορροπίας

Η σταθερά ισορροπίας είναι μια μέθοδος που δείχνει το πρόσημο της αντίδρασης (είτε η διαδικασία είναι αυθόρμητη είτε όχι). Πρέπει να εκφράσουμε την κατάσταση της αντίδρασης όταν αλλάζει με τη συγκέντρωση των προϊόντων στο αντιδρών (μη τυπική κατάσταση).

Τι είναι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs;

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs μπορεί να οριστεί ως το θερμοδυναμικό δυναμικό, το αναστρέψιμο ή μέγιστο έργο που εκτελείται από ένα θερμοδυναμικό σύστημα σε σταθερή πίεση και θερμοκρασία. Το έργο που εκτελείται από την ηλεκτρική ενέργεια σε ένα δευτερόλεπτο περιγράφεται ως το γινόμενο του συνολικού φορτίου ενέργειας Gibbs που μεταφέρεται και της ηλεκτροκινητικής δύναμης του δυναμικού στοιχείου.

Εξίσωση ελεύθερης ενέργειας Gibbs-

ΔG =ΔH – TΔS

Εδώ,

ΔG σημαίνει ελεύθερη ενέργεια Gibbs.

ΔH είναι η αλλαγή ενθαλπίας.

T είναι η θερμοκρασία και

ΔS είναι η αλλαγή στην εντροπία.

Όταν ΔG <0, η ενεργειακή απόκριση είναι αυθόρμητη.

Όταν ΔG> 0, οι ενεργητικές αποκρίσεις είναι συνήθως μη αυθόρμητες.

Η αντίδραση φθάνει σε ισορροπία όταν ΔG =0.

Τύπος σταθεράς ελεύθερης ενέργειας και ισορροπίας

Υπάρχει μία μόνο τιμή για μια αντίδραση ΔG0 σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αλλά στην περίπτωση του ΔG, θα μπορούσαν να υπάρχουν διαφορετικές τιμές. Και οι δύο τιμές είναι σημαντικές για την εμφάνιση μιας αντίδρασης.

Όταν η αναλογία των προϊόντων προς τα αντιδρώντα βρίσκεται σε ισορροπία, η αντίδραση (Q) θα εμφανίσει τη σταθερά ισορροπίας (Q =K). Για αυθόρμητες διεργασίες όπου η ελεύθερη ενέργεια (ΔG =0) μειώνεται, η αντίδραση της διεργασίας θα προχωρήσει προς την ισορροπία.

Σε ισορροπία, η μπροστινή και η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνουν με τον ίδιο ρυθμό.

Η ακόλουθη εξίσωση δείχνει τη σχέση μεταξύ των τυπικών καταστάσεων ελεύθερης ενέργειας σε οποιοδήποτε σημείο της αντίδρασης.

ΔG =ΔG0 + RT ln Q (Q =K)

ΔG =ΔG0 + RT ln K=0 

Όπου ΔG =0

0=ΔG0 + RT ln K

ΔG0 =– RT ln K

Σε θερμοκρασία T, το ΔG0 υπολογίζεται ως

ln K=– ΔG0/RT

Η σταθερά ισορροπίας, K=eRT/ΔG0

Πού, 

 G – Δωρεάν ενέργεια ανά πάσα στιγμή

ΔG0 – Τυπική ελεύθερη ενέργεια σε KJ/mol

R είναι η ιδανική σταθερά αερίου και ισούται με 8,314 J/mol-k

T είναι η απόλυτη θερμοκρασία στο Kelvin

Το K είναι σταθερά ισορροπίας

• ΔG0 <0, K>1 =Reaction Favors σχηματισμό προϊόντος
• ΔG0> 0, K<1 =Η αντίδραση ευνοεί τον σχηματισμό αντιδραστηρίων
• ΔG0 =0, K=1 =Η αντίδραση δεν ευνοεί ούτε αντιδρώντα ούτε σχηματισμό προϊόντος

Αν είναι γνωστές οι μεταβολές της ενθαλπίας και της εντροπίας, αυτή η εξίσωση μας επιτρέπει να υπολογίσουμε διάφορες χημικές αντιδράσεις. Αυτό σημαίνει ότι η ενθαλπία και η εντροπία μπορούν να μετρηθούν σύμφωνα με τη διακύμανση της σταθεράς ισορροπίας με τη θερμοκρασία.

Όροι για δωρεάν ενέργεια

• Τυπικός σχηματισμός ελεύθερης ενέργειας:

Ο τυπικός σχηματισμός ελεύθερης ενέργειας ορίζεται ως η αλλαγή ελεύθερης ενέργειας Gibbs όταν σχηματίζεται 1 mole καθαρής ουσίας από τα στοιχεία της στην τυπική της κατάσταση.

• Τυπική δωρεάν αλλαγή ενέργειας:

Η τυπική αλλαγή ελεύθερης ενέργειας ορίζεται ως η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs από την αντίδραση που πραγματοποιείται υπό τυπικές συνθήκες.

Παράδειγμα τυπικής δωρεάν ενέργειας

H2 + 3N2 → 2NH3

Η αντίδραση λαμβάνει χώρα στους 298 K.  ∆G =-32,7 kJ/mol. Βρείτε Kp.

Απάντηση:∆G=-RT Σε Kp

Σε Kp =– ∆G/RT

           =– (-32,7 x 103J/mol) / (8,314 J/K mol x)

           =13,2

      Kp =5,4 x 105

Συμπέρασμα

Η σύγκριση της σταθεράς ισορροπίας (K) με το πηλίκο αντίδρασης (Q) θα βοηθήσει να αποκρυπτογραφηθεί ο τρόπος με τον οποίο μια αντίδραση θα επιτύχει την ισορροπία. Όταν ένα σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία, τα ∆G =0 και ∆G0 υποδηλώνουν ότι όλα τα προϊόντα και τα αντιδρώντα βρίσκονται στην τυπική κατάσταση.

Ως εκ τούτου ∆G0 =-RT InK

Η σταθερά ισορροπίας K ενός αερίου που συμμετέχει σε μια αντίδραση περιγράφεται ως προς τη συγκέντρωσή του.

• ΔG0 <0, μετά K> 1, σημαίνει ότι τα προϊόντα είναι πιο ευνοημένα
• ΔG0> 0, μετά K <1, σημαίνει  Τα αντιδρώντα ευνοούνται περισσότερο
• Αν ΔG0 =0, τότε K =1, σημαίνει ότι τόσο το αντιδρών όσο και το προϊόν δεν ευνοούνται.