Gibso Laisvosios Energijos Skaičiuoklė - Numatykite Savaimingumą

Gibso laisvoji energija yra chemijoje ir fizikoje naudojamas dydis, leidžiantis numatyti, ar reakcija arba procesas vyks savaime, be išorinės pagalbos. Ji žymima ΔG ir viename skaičiuje susieja sistemos šiluminį turinį su netvarkingumu.

Kas yra Gibso laisvoji energija?

Kiekviena cheminė reakcija arba išskiria, arba sugeria šilumą ir arba didina, arba mažina netvarkingumą. Gibso laisvoji energija, pavadinta amerikiečių mokslininko Josiah Willard'o Gibso vardu, esant tam tikrai temperatūrai įvertina šiuos du poveikius tarpusavyje. Rezultatas chemikams parodo, ar reakcija yra savaiminė, t. y. pradėjusi gali vykti pati, ar nesavaiminė, t. y. jai tęstis reikia nuolatinio energijos tiekimo.

Gibso laisvoji energija neparodo, kaip greitai vyksta reakcija. Reakcija gali būti savaiminė, bet vis tiek trukti metų metus, nes jos greitį lemia atskiras veiksnys – aktyvacijos energija, o ne ΔG.

Gibso laisvosios energijos formulė

Gibso laisvosios energijos pokytis apskaičiuojamas taip:

$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$

• ΔG — Gibso laisvosios energijos pokytis
• ΔH — entalpijos pokytis, proceso metu išskiriama arba sugeriama šiluma
• T — absoliutinė temperatūra, matuojama kelvinais (K)
• ΔS — entropijos pokytis, netvarkingumo matas

Ši skaičiuoklė naudoja kJ/mol vienetus ΔH, kelvinus T ir kJ/(mol·K) ΔS, todėl rezultatas gaunamas kJ/mol. Daugelyje vadovėlių entropija pateikiama džauliais, o ne kilodžauliais (J/(mol·K)). Norėdami čia naudoti vadovėlio reikšmę, pirmiausia padalykite ją iš 1000 — pavyzdžiui, 50 J/(mol·K) tampa 0,050 kJ/(mol·K).

Kaip apskaičiuoti Gibso laisvąją energiją

1. Raskite arba išmatuokite proceso entalpijos pokytį (ΔH), išreikštą kJ/mol. Neigiama reikšmė reiškia, kad procesas išskiria šilumą, o teigiama – kad ją sugeria.
2. Jei temperatūra dar neišreikšta kelvinais, perskaičiuokite ją į kelvinus (K = °C + 273,15). Temperatūra turi būti didesnė už 0 K.
3. Raskite arba išmatuokite entropijos pokytį (ΔS), išreikštą kJ/(mol·K). Teigiama reikšmė reiškia, kad netvarkingumas didėja, o neigiama – kad mažėja.
4. Padauginkite T iš ΔS, tada atimkite gautą rezultatą iš ΔH. Atsakymas yra ΔG, išreikštas kJ/mol.

Skaičiavimo pavyzdys

Paimkime skaičiuoklės pavyzdines reikšmes: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K ir ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

$\Delta G = -100 - (298 \times 0.05) = -100 - 14.9 = -114.9 \text{ kJ/mol}$

Kadangi ΔG yra neigiama, procesas esant 298 K temperatūrai yra savaiminis.

Ką reiškia ΔG ženklas?

• ΔG < 0 — procesas yra savaiminis. Jis gali vykti be nuolatinio išorinio energijos šaltinio.
• ΔG = 0 — sistema yra pusiausvyroje. Tolesnio grynojo pokyčio nėra.
• ΔG > 0 — procesas yra nesavaiminis. Kad vyktų taip, kaip parašyta, jam reikia energijos.

Temperatūros, kuriai esant reakcija tampa savaiminė, nustatymas

Kadangi formulėje temperatūra dauginama iš ΔS, reakcija, kurios ΔH ir ΔS yra teigiami, kylant temperatūrai gali iš nesavaiminės tapti savaimine. Perėjimas įvyksta, kai ΔG = 0, todėl gauname:

$T = \frac{\Delta H}{\Delta S}$

Pavyzdžiui, jei ΔH = 15,0 kJ/mol ir ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), reakcija pasiekia pusiausvyrą esant T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Žemesnėje nei 300 K temperatūroje reakcija yra nesavaiminė, o aukštesnėje nei 300 K – tampa savaiminė.

Standartinė Gibso laisvoji energija (ΔG°)

Standartinė Gibso laisvoji energija (ΔG°) yra dydis, apskaičiuojamas, kai reagentai ir produktai yra standartinėse būsenose, paprastai esant 1 atm slėgiui ir ištirpusioms medžiagoms – 1 M koncentracijai, dažnai esant 298,15 K temperatūrai. Naudojama ta pati formulė, užrašoma taip: ΔG° = ΔH° − TΔS°, su standartinėmis entalpijos ir entropijos reikšmėmis.

ΔG° taip pat sieja su reakcijos pusiausvyros konstanta K lygtis ΔG° = −RT ln(K), kur R yra universali dujų konstanta, 8,31446261815324 J/(mol·K), dažnai suapvalinama iki 8,314. Kai sąlygos neatitinka standartinės būsenos, taikomas visas ryšys ΔG = ΔG° + RT ln(Q), kur Q yra reakcijos dalmuo.

Kur naudojama Gibso laisvoji energija

• Chemija: numatyti, ar reakcija vyks, ir parinkti sąlygas, palankias norimam produktui susidaryti.
• Biochemija: paaiškinti, kaip ląstelės susieja energiją išskiriančias reakcijas, pavyzdžiui, gliukozės skaidymą, su energijos reikalaujančiomis reakcijomis, pavyzdžiui, baltymų sinteze.
• Medžiagų mokslas: numatyti, kuri medžiagos fazė, pavyzdžiui, kietoji ar skystoji, yra stabili esant tam tikrai temperatūrai.
• Inžinerija: projektuoti pramoninius procesus – nuo metalų rafinavimo iki kuro elementų – atsižvelgiant į palankias energines sąlygas.

Gibso laisvosios energijos istorija

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), amerikiečių mokslininkas, šią sąvoką pristatė savo straipsnyje „On the Equilibrium of Heterogeneous Substances“, kuris dalimis buvo skelbiamas nuo 1875 iki 1878 metų. Šis darbas padėjo cheminės termodinamikos pagrindus, nors iš pradžių Jungtinėse Valstijose sulaukė mažai dėmesio. Jis tapo plačiai žinomas, kai Wilhelm Ostwald išvertė jį į vokiečių kalbą. Chemikai Gilbert N. Lewis ir Merle Randall vėliau padėjo standartizuoti iki šiol naudojamą žymėjimą savo 1923 m. knygoje Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra Gibso laisvoji energija paprastai? Tai skaičius, parodantis, ar cheminė reakcija arba fizinis pokytis gali vykti savaime. Neigiama reikšmė reiškia, kad gali, o teigiama – kad reikia išorinės energijos.

Ar endoterminė reakcija gali būti savaiminė? Taip. Endoterminė reakcija (ΔH > 0) vis tiek gali būti savaiminė, jei entropija pakankamai padidėja ir temperatūra yra pakankamai aukšta, kad TΔS būtų didesnis už ΔH ir ΔG taptų neigiama.

Kuo skiriasi ΔG ir ΔG°? ΔG yra laisvosios energijos pokytis esamomis faktinėmis sąlygomis. ΔG° yra laisvosios energijos pokytis standartinėmis sąlygomis, paprastai esant 1 atm slėgiui, 1 M koncentracijai ir dažnai 298,15 K temperatūrai.

Ar neigiama ΔG reikšmė reiškia, kad reakcija vyksta greitai? Ne. ΔG apibūdina, ar reakcija yra termodinamiškai palanki, bet ne tai, kaip greitai ji vyksta. Savaiminė reakcija vis tiek gali būti lėta, jei jos aktyvacijos energija didelė.

Kokius vienetus naudoja ši skaičiuoklė? Entalpija išreiškiama kJ/mol, temperatūra – kelvinais, o entropija – kJ/(mol·K). Jei šaltinyje entropija pateikta J/(mol·K), prieš įvesdami reikšmę padalykite ją iš 1000.

Kaip Gibso laisvoji energija susijusi su pusiausvyra? Pusiausvyros būsenoje ΔG lygus nuliui. Standartinės būsenos laisvosios energijos pokytis ΔG° su pusiausvyros konstanta K susijęs lygtimi ΔG° = −RT ln(K).

Šaltiniai

1. Atkins, P. W. ir de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10-asis leidimas). Oxford University Press.
2. Gibbs, J. W. (1878). On the equilibrium of heterogeneous substances. Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108–248.
3. Lewis, G. N., & Randall, M. (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill.
4. IUPAC. (2014). Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), Version 2,3.3.