गिब्स मुक्त ऊर्जा और इसके अनुप्रयोग

उष्मागतिकी के अध्ययन में, गिब्स मुक्त ऊर्जा का अवधारणा एक मौलिक अवधारणा है। यह विषय गिब्स मुक्त ऊर्जा के सिद्धांत और अनुप्रयोगों को कवर करता है, जो एक उष्मागतिक संभावना है जो निरंतर तापमान और दबाव के तहत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दिशा की भविष्यवाणी कर सकता है। और महत्वपूर्ण रूप से, यह हमें यह समझने में मदद करता है कि प्रतिक्रियाओं में ऊर्जा परिवर्तन कैसे संतुलन और इन प्रतिक्रियाओं की स्वचालितता को प्रभावित करते हैं।

गिब्स मुक्त ऊर्जा क्या है?

गिब्स मुक्त ऊर्जा, जिसे अक्सर G के रूप में व्यक्त किया जाता है, को उस ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जाता है जो रासायनिक प्रतिक्रिया से जुड़ी होती है जिसे काम करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। यह एक व्युत्पन्न मात्रा है जो एनथैल्पी और एंट्रॉपी को जोड़ता है, और इसे निम्नलिखित रूप में संख्याबद्ध किया जाता है:

G = H - T * S

• G गिब्स मुक्त ऊर्जा है, जिसे जूल या किलो जूल में मापा जाता है।
• H प्रणाली की एनथैल्पी या कुल गर्मी सामग्री होती है।
• T तापमान केल्विन में होता है।
• S प्रणाली में विकार की डिग्री, या एंट्रॉपी होती है।

दृश्य उदाहरण

हम इस संबंध को एक साधारण आरेख के साथ दिखा सकते हैं जो दिखाता है कि एनथैल्पी, एंट्रॉपी और तापमान गिब्स मुक्त ऊर्जा को प्रभावित करने के लिए कैसे साथ मिलकर काम करते हैं।

गिब्स मुक्त ऊर्जा के अनुप्रयोग

गिब्स मुक्त ऊर्जा महत्वपूर्ण है क्योंकि यह भविष्यवाणी करती है कि कौन सी प्रतिक्रियाएं स्वचालित हो सकती हैं। गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन, जिसे ΔG के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, प्रतिक्रिया की स्वचालितता को निर्धारित कर सकता है:

• यदि ΔG < 0, तो प्रक्रिया स्वचालित है।
• यदि ΔG > 0, तो प्रक्रिया स्वचालित रूप से नहीं होगी।
• यदि ΔG = 0, तो प्रक्रिया संतुलन में है।

उदाहरण 1: दहन

ग्लूकोज के दहन पर विचार करें:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O

यह प्रतिक्रिया अत्यधिक एक्सोथर्मिक है, ऊर्जा छोड़ रही है। एनथैल्पी परिवर्तन ΔH नकारात्मक है, और चूंकि गैसें बन रही हैं, एंट्रॉपी ΔS सकारात्मक है। दोनों कारक नकारात्मक ΔG में योगदान देते हैं, जो इंगित करता है कि प्रतिक्रिया स्वचालित है।

दृश्य उदाहरण

उदाहरण 2: अवस्था परिवर्तन

जल के द्रव से वाष्प में रूपांतरण पर विचार करें:

H 2 O(l) → H 2 O(g)

यह प्रक्रिया अंतर्मॉलिक्यूलर बलों को रोकने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, एंट्रॉपी में परिवर्तन ΔS को तापमान T द्वारा गुणन पर्याप्त हो जाता है प्रतिक्रिया को आगे बढ़ाने के लिए, जिससे ΔG नकारात्मक हो जाती है, और एक निश्चित तापमान के बाद अवस्था परिवर्तन स्वचालित रूप से होता है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा की गणना

गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन को मानक एनथैल्पी और एंट्रॉपी परिवर्तनों का उपयोग करके गणना किया जा सकता है:

ΔG = ΔH - T * ΔS

मानक परिस्थितियां:

• तापमान: 298 K (लगभग 25°C)
• दबाव: 1 atm

संयुक्त तत्वों की रासायनिक प्रतिक्रिया में ΔH और ΔS आंकड़े प्रायः थर्मोडायनमिक तालिकाओं में पाए जाते हैं।

उदाहरण 3: मानक प्रतिक्रिया

अमोनिया के निर्माण के लिए ΔG की गणना करें:

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)

दिया गया:

• ΔH = -92.4 kJ/mol
• ΔS = -198.5 जूल/mol·K = -0.1985 kJ/mol·K

ΔG को निम्नलिखित रूप में गणना किया जा सकता है:

ΔG = -92.4 kJ/mol - (298 K * -0.1985 kJ/mol K)

इस प्रकार, ΔG = -92.4 kJ/mol + 59.3 kJ/mol = -33.1 kJ/mol

नकारात्मक ΔG इंगित करता है कि प्रतिक्रिया मानक परिस्थितियों में स्वचालित है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा और संतुलन

गिब्स मुक्त ऊर्जा और संतुलन के बीच का संबंध मौलिक है। संतुलन पर, ΔG = 0, इसका मतलब यह है कि प्रणाली में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं है। प्रणाली की ऊर्जा न्यूनतम पर है, और इस बिंदु को संतुलन स्थिरांक K द्वारा परिभाषित किया जाता है।

यह संबंध निम्नलिखित रूप में दिया गया है:

ΔG° = -RT ln(K)

• ΔG° मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन है।
• R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है: 8.314 J/mol K।
• K संतुलन स्थिरांक है।

उदाहरण 4: संतुलन गणना

298 K पर K = 10 के प्रतिक्रिया के लिए ΔG° की गणना करें:

ΔG° = -8.314 जूल/mol·K * 298 K * ln(10)

इसलिए, ΔG° = -8.314 * 298 * 2.303 = -5718 J/mol = -5.718 kJ/mol

नकारात्मक ΔG° की पुष्टि करती है कि संतुलन पर आगे की प्रतिक्रिया पसंद की जाती है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा का महत्व

स्वचालितता की भविष्यवाणी

रासायनिक प्रक्रियाओं में यह समझना महत्वपूर्ण है कि क्या प्रतिक्रिया स्वचालित है या नहीं। इंजीनियर और रसायनज्ञ इस ज्ञान का उपयोग प्रतिक्रियाओं के विकास में और पदार्थों के प्रभावी संश्लेषण में करते हैं।

जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं

जीवित जीवों में, जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं गिब्स मुक्त ऊर्जा पर भारी निर्भर करती हैं। ऊर्जा उत्पादित करने वाली प्रतिक्रियाओं जैसे ATP हाइड्रोलिसिस के लिए भौतिक स्थिति में ΔG नकारात्मक होना चाहिए।

औद्योगिक प्रक्रियाएं

उद्योगिक रासायनिक प्रक्रियाएं, जैसे अमोनिया संश्लेषण के लिए हैबर प्रक्रिया या गंधक अम्ल उत्पादन, गिब्स मुक्त ऊर्जा के सिद्धांतों का उपयोग करके अनुकूलित की जाती हैं, ताकि लागत-प्रभावशीलता और ऊर्जा दक्षता की सुनिश्चितता हो सके।

निष्कर्ष

गिब्स मुक्त ऊर्जा उष्मागतिकी और रसायन विज्ञान के भीतर एक बहुमुखी और महत्वपूर्ण अवधारणा है। यह कैसे काम करता है, इसका समझ हमें प्रतिक्रिया व्यवहार की पूर्वानुमान करने, संतुलन को समझने, और इसे विभिन्न वैज्ञानिक विषयों में सैद्धांतिक और व्यावहारिक परिदृश्यों में लागू करने में सक्षम बनाता है।

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