गिब्स मुक्त ऊर्जा

रासायनिक उष्मागतिकिकी अध्ययन का एक आकर्षक क्षेत्र है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं और भौतिक परिवर्तन के साथ ऊर्जा परिवर्तनों से संबंधित होता है। इस क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण अवधारणा गिब्स मुक्त ऊर्जा है, जिसका नाम अमेरिकी वैज्ञानिक जोसिया विलार्ड गिब्स के नाम पर रखा गया है। यह एक महत्वपूर्ण उष्मागतिकीय क्रिया है जो प्रक्रियाओं की अनुकूलता और स्वतःता का निर्धारण करने में मदद करती है। इस खंड में, हम गिब्स मुक्त ऊर्जा, इसके महत्व और स्नातक स्तर के रसायन विज्ञान में इसके अनुप्रयोग के बारे में अधिक विस्तार से जानेंगे।

गिब्स मुक्त ऊर्जा की परिभाषा

गिब्स मुक्त ऊर्जा को G चिह्न द्वारा दर्शाया जाता है। किसी प्रक्रिया के दौरान गिब्स मुक्त ऊर्जा का परिवर्तन (ΔG) यह बताता है कि यह स्थिर तापमान और दबाव पर स्वतःसड़क या अस्वतःसड़क है या नहीं। गिब्स मुक्त ऊर्जा के लिए सूत्र दिया गया है:

    ΔG = ΔH – TΔS
    

जहां:

• ΔG गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन है
• ΔH एनथैल्पी में परिवर्तन है
• T अब्सोल्यूट तापमान (केल्विन में) है
• ΔS एंट्रापी में परिवर्तन है

यह समीकरण बताता है कि किसी प्रक्रिया की गिब्स मुक्त ऊर्जा का परिवर्तन एक दिए गए तापमान पर एनथैल्पी परिवर्तन (अवशोषित या मुक्त ऊर्जा) और एंट्रापी परिवर्तन (अव्यवस्था का माप) के बीच संतुलन से प्राप्त होता है। ΔG की प्रकृति स्वःसड़कता की दिशा का निर्धारण करती है:

• यदि ΔG < 0, तो प्रक्रिया स्वतःसड़क है।
• यदि ΔG > 0, तो प्रक्रिया अस्वतःसड़क है।
• यदि ΔG = 0, तो प्रणाली संतुलन में है।

सरलता को समझना

स्वतःसड़कता की अवधारणा रासायनिक प्रतिक्रियाओं में महत्वपूर्ण है। एक स्वःसड़क प्रक्रिया बिना बाहरी हस्तक्षेप के होती है। इसे एक गेंद के पहाड़ी से लुढ़कने के साथ तुलना की जा सकती है, क्योंकि यह प्राकृतिक रूप से उच्च संभावित ऊर्जा की स्थिति से निम्न संभावित ऊर्जा की स्थिति में अपने आप जाती है।

दो परिदृश्य पर विचार करें:

• उष्माक्षेपी स्वःसड़क प्रतिक्रिया: जब प्रतिक्रिया ऊष्मा छोड़ती है (ΔH ऋणात्मक होता है), और एंट्रापी में वृद्धि होती है (ΔS सकारात्मक होता है), तो प्रक्रिया स्वःसड़क होती है। उदाहरण: ऑक्सीजन में ग्लूकोज का दहन।
• उष्मोष्मी स्वःसड़क प्रतिक्रिया: भले ही एक प्रतिक्रिया ऊष्मा को अवशोषित करती है (ΔH सकारात्मक होता है), अगर एंट्रापी में पर्याप्त वृद्धि होती है (ΔS सकारात्मक होता है), यह स्वःसड़क हो सकती है। उदाहरण: कमरे के तापमान पर बर्फ का पिघलना।

गणितीय व्याख्या

चलो समीकरणों पर एक और गहरी समझ हासिल करते हैं, जहां गणितज्ञ और वैज्ञानिक अक्सर प्रतिक्रियाओं की संभावना की भविष्यवाणी करने के लिए इन अभिव्यक्तियों का उपयोग करते हैं।

    ΔG = ΔH – TΔS
    

यह समीकरण दिखाता है कि स्वःसड़कता ΔH और ΔS के बीच अंतःक्रिया पर निर्भर करती है। जैसे-जैसे तापमान बदलता है, TΔS पद ΔH में परिवर्तन से अधिक हो सकता है, जिससे प्रतिक्रिया की स्वःसड़कता बदल सकती है।

ΔG गणना को समझने के उदाहरण:

उदाहरण 1: पानी के वाष्पीकरण पर विचार करें। 100°C पर, अगर ΔH = +40.65 किलो-जूल प्रति मोल और ΔS = +0.109 किलो-जूल प्रति मोल·केल्विन हो, तो ΔG की गणना करें।

    ΔG = ΔH – TΔS
    ΔG = 40.65 kJ/mol – (373 K * 0.109 kJ/mol K)
    ΔG = 40.65 kJ/mol – 40.657 kJ/mol
    ΔG = -0.007 kJ/mol
    

क्योंकि ΔG ऋणात्मक है, वाष्पीकरण 100°C (373 K) पर स्वःसड़क है।

उदाहरण 2: दिए गए प्रतिक्रिया के लिए 25°C पर, अगर ΔH = +24 किलो-जूल प्रति मोल और ΔS = -0.010 किलो-जूल प्रति मोल·केल्विन हो, तो ΔG की गणना करें।

    ΔG = ΔH – TΔS
    ΔG = 24 kJ/mol – (298 K * -0.010 kJ/mol K)
    ΔG = 24 kJ/mol - (-2.98 kJ/mol)
    ΔG = 24 kJ/mol + 2.98 kJ/mol
    ΔG = 26.98 kJ/mol
    

क्योंकि ΔG सकारात्मक है, प्रतिक्रिया 25°C पर स्वःसड़क नहीं होती है।

संतुलन की अवधारणा

रसायन शास्त्र में, संतुलन वह स्थिति है जहां अग्रगामी और प्रतिगामी प्रतिक्रियाओं की दर समान होती है, जिससे अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता है। इस स्थिति में, ΔG शून्य के बराबर होता है। प्रणाली स्थिर होती है, और कोई कार्य उत्पन्न नहीं होता है।

उदाहरण: उच्च दबाव और तापमान पर नाइट्रोजन और हाइड्रोजन गैसों के मिश्रण से अमोनिया के निर्माण पर विचार करें। अमोनिया के उतनी ही जल्दी टूटने और नाइट्रोजन और हाइड्रोजन में विघटित होने पर एक संतुलन स्थिति प्राप्त होती है।

समीकरण द्वारा दर्शाया गया:

    N 2 (g) + 3H 2 (g) ⇌ 2NH 3 (g)
    

ग्राफिकल प्रतिनिधित्व

गिब्स मुक्त ऊर्जा को अधिक अच्छे से समझने के लिए निम्नलिखित दृश्य उदाहरण पर विचार करें:

           ΔG ΔH
            ,
            ,
            ,
          प्रारंभिक अंतिम
    

ग्राफ में, प्रारंभिक स्थिति और अंतिम स्थिति की ऊर्जा को लंबवत अक्ष पर खींचा जाता है। गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं के बीच के अंतर के रूप में प्रदर्शित किया जाता है।

प्रतिक्रिया की संभावना का अनुमान लगाना

रसायनज्ञ रासायनिक प्रक्रियाओं की संभावना और दिशा का अनुमान लगाने के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा की गणना का उपयोग करते हैं। इसे भागों में विभाजित करके समझें:

• ऋणात्मक ΔG: यह परिणाम दर्शाता है कि प्रतिक्रिया ऊर्जा के मामले में अनुकूल है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से पानी बनाना ऊर्जा छोड़ता है, जो इसे स्वतःसड़क बनाता है।
• पॉजिटिव ΔG: जिन परिदृश्यों में ΔG सकारात्मक होता है, प्रतिक्रिया को आगे बढ़ने के लिए बाहरी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जैसे कि जल के विद्युत अपघटन की प्रक्रिया द्वारा हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस प्राप्त करना।
• ज़ीरो ΔG: यह संतुलन को निर्दिष्ट करता है, जिससे रसायनविदों को उस सामग्री की सांद्रता का अनुमान लगाने की अनुमति मिलती है जहां अग्रगामी और प्रतिगामी प्रतिक्रिया की दरें समान होती हैं।

रसायन शास्त्र में अनुप्रयोग

सैद्धांतिक चर्चा से परे, गिब्स मुक्त ऊर्जा व्यावहारिक रासायनिक अनुप्रयोगों में अमूल्य है:

• जैव रासायनिक प्रक्रियाएं: जैविक प्रणालियों में, जैसे कि एटीपी हाइड्रोलिसिस और कोशिकीय श्वसन जैसे प्रतिक्रियाओं में मुक्त ऊर्जा परिवर्तनों का संचयीकरण शामिल होता है। यह समझ जैव-ऊर्जा स्तर में महत्वपूर्ण है।
• औद्योगिक रसायन शास्त्र: निर्माण प्रक्रियाओं में गिब्स मुक्त ऊर्जा के ज्ञान का लाभ उठाकर स्थिति को अनुकूलित करना शामिल है। अमोनिया संश्लेषण या धातु निष्कर्षण में ये अंतर्ध्यान लागत-प्रभावी और स्थायी प्रक्रियाओं की सुविधा करते हैं।
• सामग्री विज्ञान: सामग्रियों की स्थिरता और परिवर्तन की पूर्वानुमान मॉडलिंग में गिब्स मुक्त ऊर्जा की गणना शामिल होती है, जो नई उन्नत सामग्रियों के डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण है।

अतिरिक्त विचारांश

• ले-शैटेलियर का सिद्धांत: जैसे तापमान जैसे स्थितियों को बदलने से प्रतिक्रियाओं के लिए संतुलन स्थिरांक को बदल सकता है, ΔG को प्रभावित करता है।
• मानक स्थितियां और स्थिति कार्य: मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन (ΔG°) विशिष्ट स्थितियों के तहत भी गणना की जाती है (1 बार, 298.15 K), जो विभिन्न प्रतिक्रियाओं के बीच तुलनात्मक संदर्भ बिंदु प्रदान करती है।
• गैर-मानक स्थितियां: वास्तविक विश्व अनुप्रयोगों में, प्रतिक्रियाएं हमेशा मानक स्थितियों के अनुरूप नहीं होतीं। गिब्स ऊर्जा परिवर्तनों का गैर-मानक सूत्र प्रतिक्रिया भागफल को शामिल करके समायोजित करता है।

    ΔG = ΔG° + RTlnQ
    

जहां:

• ΔG° मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा है
• R सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है
• Q प्रतिक्रिया भागफल है

सारांश

सारांश में, गिब्स मुक्त ऊर्जा रासायनिक उष्मागतिकिकी में एक प्रमुख अवधारणा है, जो प्रतिक्रियाओं की स्वःसड़कता और संभावना के बारे में जानकारी प्रदान करती है। विभिन्न स्थितियों के तहत प्रतिक्रियाओं के व्यवहार की भविष्यवाणी करने से लेकर कई क्षेत्रों में व्यावहारिक अनुप्रयोगों तक, इसका महत्व कम नहीं किया जा सकता। समीकरण ΔG = ΔH - TΔS के साथ लैस होकर, रसायनज्ञ और वैज्ञानिक भविष्यवाणी करते हैं, डिजाइन करते हैं और रासायनिक प्रक्रियाओं का नवाचार करते हैं जो तकनीकी प्रगति और प्राकृतिक दुनिया की समझ के लिए मूलभूत होती हैं।

गिब्स मुक्त ऊर्जा के माध्यम से ज्ञान और अनुप्रयोगों की एक समृद्ध कपड़ा उभरती है, जो मानवीय लाभ के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बेहतर ढंग से समझने और उनका उपयोग करने के लिए वैज्ञानिकों द्वारा किए गए प्रारंभिक अन्वेषणों को दर्शाती है।

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