Студент бакалавриата → Физическая химия → Химическая термодинамика ↓
Энергия Гиббса
Химическая термодинамика — это увлекательная область изучения, которая занимается энергетическими изменениями, сопровождающими химические реакции и физические превращения. Одним из важных понятий в этой области является свободная энергия Гиббса, названная в честь американского ученого Джозаии Уилларда Гиббса. Это важная термодинамическая функция, которая помогает определить благоприятность и спонтанность процессов. В этом разделе мы узнаем более подробно о свободной энергии Гиббса, её значении и её применении в химии на уровне бакалавриата.
Определение свободной энергии Гиббса
Свободная энергия Гиббса обозначается символом G. Изменение свободной энергии Гиббса (ΔG) в процессе сообщает нам, является ли он спонтанным или неспонтанным при постоянной температуре и давлении. Формула для свободной энергии Гиббса дается как:
ΔG = ΔH – TΔS
Где:
ΔG— изменение свободной энергии ГиббсаΔH— изменение энтальпииT— абсолютная температура (в Кельвинах)ΔS— изменение энтропии
Это уравнение означает, что изменение свободной энергии Гиббса процесса получается из баланса между изменением энтальпии (поглощенной или выделенной энергией) и изменением энтропии (мерой беспорядка) при данной температуре. Характер ΔG определяет направление спонтанности:
- Если ΔG < 0, процесс спонтанный.
- Если ΔG > 0, процесс не спонтанный.
- Если ΔG = 0, система находится в равновесии.
Понимание спонтанности
Понятие спонтанности важно в химических реакциях. Спонтанный процесс происходит без внешнего вмешательства. Его можно сравнить с мячом, катящимся вниз по склону, так как он естественным образом перемещается из состояния с большей потенциальной энергией в состояние с меньшей потенциальной энергией спонтанно.
Рассмотрим два сценария:
- Экзотермическая спонтанная реакция: Когда реакция выделяет тепло (
ΔHотрицательное) и наблюдается увеличение энтропии (ΔSположительное), процесс спонтанный. Пример: Горение глюкозы в кислороде. - Эндотермическая спонтанная реакция: Даже если реакция поглощает тепло (
ΔHположительное), если наблюдается достаточное увеличение энтропии (ΔSположительное), она все равно может быть спонтанной. Пример: Таяние льда при комнатной температуре.
Математическое объяснение
Давайте более подробно рассмотрим уравнения, где математики и ученые часто используют эти выражения для предсказания возможности реакций.
ΔG = ΔH – TΔS
Это уравнение показывает, что спонтанность зависит от взаимодействия между ΔH и ΔS. По мере изменения температуры, член TΔS может превысить изменение ΔH, изменяя спонтанность реакции.
Примеры расчета ΔG:
Пример 1: Рассмотрим испарение воды. При 100°C рассчитайте ΔG, если ΔH = +40.65 кДж/моль и ΔS = +0.109 кДж/моль·К.
ΔG = ΔH – TΔS
ΔG = 40.65 кДж/моль – (373 К * 0.109 кДж/моль К)
ΔG = 40.65 кДж/моль – 40.657 кДж/моль
ΔG = -0.007 кДж/моль
Поскольку ΔG отрицательное, испарение спонтанно при 100°C (373 К).
Пример 2: Для данной реакции при 25°C рассчитайте ΔG, если ΔH = +24 кДж/моль и ΔS = -0.010 кДж/моль К.
ΔG = ΔH – TΔS
ΔG = 24 кДж/моль – (298 К * -0.010 кДж/моль К)
ΔG = 24 кДж/моль - (-2.98 кДж/моль)
ΔG = 24 кДж/моль + 2.98 кДж/моль
ΔG = 26.98 кДж/моль
Поскольку ΔG положительное, реакция не происходит спонтанно при 25°C.
Понятие равновесия
В химии равновесие — это состояние, когда скорости прямой и обратной реакций равны, в результате чего нет чистого изменения концентраций реагентов и продуктов. В этом состоянии ΔG равен нулю. Система стабильна, и работа не производится.
Пример: Рассмотрим образование аммиака из смеси азота и водорода при высоком давлении и температуре. Состояние равновесия достигается, когда аммиак образуется так же быстро, как он разлагается на азот и водород.
представлено уравнением:
N 2 (г) + 3H 2 (г) ⇌ 2NH 3 (г)
Графическое представление
Чтобы лучше понимать свободную энергию Гиббса, рассмотрите следующий визуальный пример:
ΔG ΔH
,
,
,
Начальное Конечное
На графике энергия начального состояния и конечного состояния откладывается по вертикальной оси. Изменение свободной энергии Гиббса представлено как разница между начальными и конечными состояниями.
Прогнозирование возможности реакции
Химики используют расчеты свободной энергии Гиббса для оценки возможности и направления химических процессов. Разберем это по частям:
- Отрицательное ΔG: Этот результат указывает на то, что реакция благоприятна с точки зрения энергии. Например, образование воды из водорода и кислорода выделяет энергию, делая её спонтанной.
- Положительное ΔG: В сценариях, где ΔG положительное, реакция требует внешней энергии для протекания, например, процесс электролиза воды для получения водорода и кислорода.
- Нулевое ΔG: Это относится к равновесию, позволяя химикам прогнозировать концентрацию вещества, где скорости прямой и обратной реакций равны.
Применение в химии
Помимо теоретических обсуждений, свободная энергия Гиббса является бесценным инструментом в практических химических приложениях:
- Биохимические процессы: В биологических системах такие реакции, как гидролиз АТФ и клеточное дыхание, включают кумулятивные изменения свободной энергии. Это понимание важно для биоэнергетики.
- Промышленная химия: Производственные реакции используют знания о свободной энергии Гиббса для оптимизации условий. В синтезе аммиака или добыче металлов эти знания способствуют экономичности и устойчивости процессов.
- Материаловедение: Прогнозированное моделирование стабильности и трансформации материалов включает расчёт свободной энергии Гиббса, что важно для разработки новых передовых материалов.
Дополнительные соображения
- Принцип Ле Шателье: Изменение условий, таких как температура, может смещать константы равновесия для реакций, влияя на ΔG.
- Стандартные условия и состояния функций: Стандартное изменение свободной энергии Гиббса (ΔG°) также рассчитывается при конкретных условиях (1 бар, 298.15 К), что обеспечивает точку сравнения для различных реакций.
- Нестандартные условия: В реальных условиях реакции не всегда соответствуют стандартным условиям. Формула корректируется для нестандартных изменений Гиббса, включая реакционную квотуту.
ΔG = ΔG° + RTlnQ
Где:
ΔG°— стандартная свободная энергия ГиббсаR— универсальная газовая постояннаяQ— реакционная квота
Резюме
В заключение, свободная энергия Гиббса — это ключевое понятие в химической термодинамике, предоставляющее информацию о спонтанности и возможности реакций. От прогнозирования поведения реакций при различных условиях до практического применения в множестве областей, её значение невозможно переоценить. Вооружённые уравнением ΔG = ΔH - TΔS, химики и учёные прогнозируют, разрабатывают и изобретают химические процессы, которые являются основой технологического прогресса и понимания окружающего мира.
Через свободную энергию Гиббса появляется многообразная ткань знаний и применений, отражая ранние изыскания учёных в стремлении лучше понять и использовать мощь химических реакций на благо человечества.
Комментарии