Свободная энергия Гиббса и ее применения

В изучении термодинамики понятие свободной энергии Гиббса является фундаментальной концепцией. Эта тема охватывает принципы и приложения свободной энергии Гиббса, которая представляет собой термодинамический потенциал, способный предсказать направление химических реакций при постоянной температуре и давлении. Более важно, что она помогает понять, как изменения энергии в реакциях влияют на равновесие и самопроизвольность этих реакций.

Что такое свободная энергия Гиббса?

Свободная энергия Гиббса, часто обозначаемая как G, определяется как энергия, связанная с химической реакцией, которая может использоваться для работы. Это производная величина, которая комбинирует энтальпию и энтропию, и формулируется как:

G = H - T * S

• G — свободная энергия Гиббса, измеряемая в джоулях или килоджоулях.
• H — энтальпия или общая тепловая энергия системы.
• T — температура в Кельвинах.
• S — энтропия, или степень неупорядоченности в системе.

Визуальный пример

Мы можем проиллюстрировать это соотношение простым диаграммой, показывающей, как энтальпия, энтропия и температура работают вместе, влияя на свободную энергию Гиббса.

Применения свободной энергии Гиббса

Свободная энергия Гиббса важна, потому что она предсказывает, какие реакции могут происходить самопроизвольно. Изменение свободной энергии Гиббса, представленное как ΔG, может определить самопроизвольность реакции:

• Если ΔG < 0, то процесс проходит самопроизвольно.
• Если ΔG > 0, то процесс будет происходить самопроизвольно.
• Если ΔG = 0, то процесс находится в равновесии.

Пример 1: Сгорание

Рассмотрим сгорание глюкозы:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O

Эта реакция сильно экзотермична, высвобождая энергию. Изменение энтальпии ΔH отрицательно, и поскольку энтропия увеличивается при образовании газов, ΔS положительно. Оба фактора способствуют отрицательному значению ΔG, что указывает на спонтанность реакции.

Визуальный пример

Пример 2: Изменение фазы

Рассмотрим преобразование воды из жидкости в пар:

H 2 O(l) → H 2 O(g)

Этот процесс требует энергии для преодоления межмолекулярных сил. По мере увеличения температуры изменение энтропии ΔS умноженное на температуру T становится достаточно значительным, чтобы двигать реакцию вперед, вызывая ΔG становиться отрицательным, и за определенной температурой фазовый переход происходит самопроизвольно.

Вычисление свободной энергии Гиббса

Изменение свободной энергии Гиббса можно вычислить, используя стандартные изменения энтальпии и энтропии:

ΔG = ΔH - T * ΔS

Стандартные условия подразумевают:

• Температура: 298 К (примерно 25°C)
• Давление: 1 атм

Значения для ΔH и ΔS обычно можно найти в термодинамических таблицах для веществ, участвующих в реакции.

Пример 3: Стандартная реакция

Рассчитать ΔG для образования аммиака:

N 2 (g) + 3H 2 (g) → 2NH 3 (g)

дано:

• ΔH = -92.4 кДж/моль
• ΔS = -198.5 джоулей/моль·K = -0.1985 кДж/моль·K

ΔG можно вычислить как:

ΔG = -92.4 кДж/моль - (298 K * -0.1985 кДж/моль K)

Таким образом, ΔG = -92.4 кДж/моль + 59.3 кДж/моль = -33.1 кДж/моль

Отрицательное значение ΔG указывает, что реакция является самопроизвольной при стандартных условиях.

Свободная энергия Гиббса и равновесие

Отношение между свободной энергией Гиббса и равновесием является фундаментальным. В состоянии равновесия ΔG = 0, что означает отсутствие нетто изменений в системе. Энергия системы минимальна, и эта точка определяется равновесной константой K

Это соотношение записывается как:

ΔG° = -RT ln(K)

• ΔG° — стандартизированное изменение свободной энергии Гиббса.
• R — универсальная газовая постоянная: 8.314 Дж/моль К.
• K — константа равновесия.

Пример 4: Расчет баланса

Рассчитать ΔG° для реакции с K = 10 при 298 K:

ΔG° = -8.314 джоулей/моль·K * 298 K * ln(10)

Так что, ΔG° = -8.314 * 298 * 2.303 = -5718 Дж/моль = -5.718 кДж/моль

Отрицательное значение ΔG° подтверждает, что прямая реакция предпочтительна на равновесии.

Важность свободной энергии Гиббса

Предсказание самопроизвольности

В химических процессах важно понять, является ли реакция самопроизвольной или нет. Инженеры и химики используют эти знания для разработки реакций и синтеза материалов эффективно.

Биохимические реакции

В живых организмах биохимические реакции сильно зависят от свободной энергии Гиббса. Энергоёмкие реакции, такие как гидролиз АТФ, должны иметь отрицательное ΔG при физиологических условиях.

Промышленные процессы

Промышленные химические процессы, такие как процесс Хабера для синтеза аммиака или производство серной кислоты, оптимизированы с использованием принципов свободной энергии Гиббса, что обеспечивает экономическую эффективность и энергоэффективность.

Заключение

Свободная энергия Гиббса — это универсальная и важная концепция в термодинамике и химии. Понимание того, как она работает, позволяет нам предсказывать поведение реакций, понимать равновесие и применять это как в теоретических, так и в практических сценариях в различных научных дисциплинах.

Комментарии