مفاهیم اصلی

انرژی رایگان گیبس یک مقدار مهم در ترمودینامیک است که به شما امکان می دهد جنبه های یک واکنش شیمیایی را پیش بینی کنید. در این آموزش می آموزیم که چرا معادله انرژی آزاد گیبس مهم است و چگونه مسائلی را که در آن دخیل است حل کنیم. ما همچنین تعریف خواهیم کرد که واکنش خود به خود چیست.

موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر

واژگان

• واکنش خود به خود: واکنشی که بدون هیچ نیروی خارجی مانند دما به سیستم وارد شود.
• آنتالپی (H): گرمای کلی در یک سیستم واکنش
• آنتروپی (S): مقداری که میزان بی‌نظمی را در یک سیستم توصیف می‌کند، با مقدار آنتروپی بالاتر که بی‌نظمی بیشتری دارد. به عنوان مثال، یک جامد سیستمی با نظم (آنتروپی کم) در نظر گرفته می شود و یک مایع یا یک گاز بی نظمی بیشتری دارد (آنتروپی بالا).
• اگزرگونیک: هنگامی که یک واکنش خود به خودی است.
• اندرگونیک: هنگامی که یک واکنش غیر خود به خودی است.

تعریف واکنش خود به خود

واکنش خود به خود واکنشی است که به نفع تشکیل محصولات است. واکنش هایی که دارای کاهش انرژی و افزایش آنتروپی هستند، خود به خود خواهند بود. مقدار G، که در زیر تعریف شده است، به پیش بینی خود به خودی بودن یک واکنش کمک می کند.

مهم است که به خاطر داشته باشید، که یک واکنش خود به خودی واکنشی است که بدون هیچ اتفاقی رخ می دهد در دست اقدام مداخله خارجی یا ورودی طولانی مدت انرژی. برخی از واکنش های خود به خود، مانند 2H₂(g) + O₂(g) -> 2H₂O(g) برای شروع واقعی واکنش به یک جرقه (نوعی انرژی فعال سازی) نیاز دارد.

انرژی آزاد گیبس چیست؟

انرژی آزاد گیبس (G) مقداری است که میزان خود به خودی بودن یک واکنش را مشخص می کند، با مقدار منفی به معنای خود به خودی بودن واکنش و مقدار مثبت به معنای غیر خود به خودی بودن واکنش است. این مقدار ترکیبی از آنتالپی (H) و آنتروپی (S).

معادله انرژی آزاد گیبس چیست؟

انرژی آزاد گیبس، آنتالپی و آنتروپی همگی می توانند در یک معادله ساده به هم مرتبط باشند. در این فرمول، G، H و S با Δ(دلتا) بیان می‌شوند که نشان‌دهنده تغییر در این مقادیر نسبت به واکنش است. معادله به صورت زیر است:

∆G= ∆H – T∆S

برای اینکه این معادله درست باشد، باید دو فرض داشته باشیم:

• دما در طول واکنش ثابت می ماند.
• فشار در طول واکنش ثابت می ماند.

چگونه مشکل انرژی آزاد گیبس را حل کنیم

اگر هر یک از مقادیر بیان شده در فرمول به شما داده شود، حل مسئله انرژی آزاد گیبس می تواند آسان باشد. بیایید با این معادله واکنش شروع کنیم:

آیا می توانیم تشخیص دهیم که این واکنش خود به خودی است؟ در اینجا شرایط داده شده است:

• دما: 25 درجه سانتی گراد
• ∆H: -90 kJ/mol
• ∆S: -200 kJ/mol K

مهم: برای اینکه این معادله درست باشد، دما باید به کلوین تبدیل شود. با افزودن 273 کلوین به دما بر حسب سانتیگراد می توانیم به راحتی درجه سانتیگراد را به کلوین تبدیل کنیم تا مقدار آن را بر حسب کلوین بدست آوریم. در این مورد، 273 + 25 = 298K. اکنون که دما را تبدیل کرده ایم، تنها کاری که باید انجام دهیم این است که این مقادیر را به معادله متصل کنیم!

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

از آنجایی که مقدار ∆G مثبت است، این واکنش مثبت است غیر خود به خودی، یا یک اندرگونیک واکنش.

مثال های بیشتر

اکنون که می دانیم چگونه از معادله برای یافتن ∆G استفاده کنیم، می توانیم مسائل بیشتری را در رابطه با ∆G امتحان کنیم. به طور خاص، اگر ∆G داده شود، می توانیم برای هر یک از متغیرهای دیگر معادله حل کنیم. بیایید سعی کنیم برای ΔS در مسئله زیر حل کنیم.

در اینجا شرایط داده شده است:

• دما: 25 درجه سانتی گراد
• ∆H: 28 kJ/mol
• ∆G: -4.4 kJ/mol

ما با تنظیم مجدد معادله برای حل ΔS شروع می کنیم.
∆G= ∆H – T∆S
∆G + T∆S= ∆H
T∆S= ∆H – ∆G
∆S= (∆H – ∆G)/T

اکنون که برای ∆S را حل کردیم، می‌توانیم مقادیر خود را به معادله متصل کنیم. مشابه مشکل آخر، باید دما را به کلوین تبدیل کنیم که در این مثال دوباره 298 کلوین است.

∆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

بیشتر خواندن