Gibsa brīvās enerģijas kalkulators - Prognozēt spontanitāti

Gibsa brīvā enerģija ir lielums, ko izmanto ķīmijā un fizikā, lai paredzētu, vai reakcija vai process notiks pats no sevis, bez ārējas palīdzības. To apzīmē ar ΔG, un tā apvieno sistēmas siltuma saturu ar tās nekārtību vienā skaitlī.

Kas ir Gibsa brīvā enerģija?

Katra ķīmiskā reakcija vai nu izdala, vai absorbē siltumu, kā arī vai nu palielina, vai samazina nekārtību. Gibsa brīvā enerģija, kas nosaukta amerikāņu zinātnieka Džosajas Vilarda Gibsa vārdā, noteiktā temperatūrā salīdzina šos divus efektus. Rezultāts ķīmiķiem parāda, vai reakcija ir spontāna, tas ir, vai pēc tās sākšanās tā var norisināties pati no sevis, vai arī nav spontāna un tās turpināšanai nepieciešama pastāvīga enerģijas pievadīšana.

Gibsa brīvā enerģija nenorāda, cik ātri notiek reakcija. Reakcija var būt spontāna un tomēr ilgt gadiem, jo ātrums ir atkarīgs no cita faktora, ko sauc par aktivācijas enerģiju, nevis no ΔG.

Gibsa brīvās enerģijas formula

Gibsa brīvās enerģijas izmaiņu aprēķina šādi:

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

• ΔG — Gibsa brīvās enerģijas izmaiņas
• ΔH — entalpijas izmaiņas, procesa laikā izdalītais vai absorbētais siltums
• T — absolūtā temperatūra, ko mēra kelvinos (K)
• ΔS — entropijas izmaiņas, nekārtības mērs

Šis kalkulators ΔH izmanto kJ/mol, T — kelvinus, bet ΔS — kJ/(mol·K), tāpēc rezultāts tiek iegūts kJ/mol. Daudzās mācību grāmatās entropija norādīta džoulos, nevis kilodžoulos (J/(mol·K)). Lai šeit izmantotu mācību grāmatas vērtību, vispirms to izdaliet ar 1000 — piemēram, 50 J/(mol·K) kļūst par 0,050 kJ/(mol·K).

Kā aprēķināt Gibsa brīvo enerģiju

1. Atrodiet vai izmēriet procesa entalpijas izmaiņu (ΔH), kas izteikta kJ/mol. Negatīva vērtība nozīmē, ka process izdala siltumu; pozitīva vērtība nozīmē, ka tas absorbē siltumu.
2. Ja temperatūra vēl nav izteikta kelvinos, pārvērtiet to kelvinos (K = °C + 273,15). Temperatūrai jābūt lielākai par 0 K.
3. Atrodiet vai izmēriet entropijas izmaiņu (ΔS), kas izteikta kJ/(mol·K). Pozitīva vērtība nozīmē, ka nekārtība palielinās; negatīva vērtība nozīmē, ka tā samazinās.
4. Reiziniet T ar ΔS un pēc tam atņemiet iegūto rezultātu no ΔH. Atbilde ir ΔG, kas izteikta kJ/mol.

Aprēķina piemērs

Izmantojiet kalkulatora parauga vērtības: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K un ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

Tā kā ΔG ir negatīvs, process ir spontāns pie 298 K.

Ko nozīmē ΔG zīme?

• ΔG < 0 — process ir spontāns. Tas var notikt bez nepārtrauktas ārējas enerģijas piegādes.
• ΔG = 0 — sistēma atrodas līdzsvarā. Turpmāku neto izmaiņu nav.
• ΔG > 0 — process nav spontāns. Lai tas notiktu, kā uzrakstīts, nepieciešama enerģijas pievadīšana.

Temperatūras noteikšana, kurā reakcija kļūst spontāna

Tā kā formulā temperatūra reizina ΔS, reakcija ar pozitīvu ΔH un pozitīvu ΔS, temperatūrai paaugstinoties, var kļūt no nespontānas par spontānu. Pāreja notiek, kad ΔG = 0, tādēļ:

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

Piemēram, ja ΔH = 15,0 kJ/mol un ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), reakcija sasniedz līdzsvaru pie T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Zem 300 K reakcija nav spontāna; virs 300 K tā kļūst spontāna.

Standarta Gibsa brīvā enerģija (ΔG°)

Standarta Gibsa brīvā enerģija (ΔG°) ir vērtība, ko aprēķina, kad reaģenti un produkti atrodas standarta stāvoklī, parasti pie 1 atm spiediena un izšķīdušām vielām pie 1 M koncentrācijas, bieži vien pie 298,15 K. Izmanto to pašu formulu, kas pierakstīta kā ΔG° = ΔH° − TΔS°, ar standarta entalpijas un entropijas vērtībām.

ΔG° ir saistīta arī ar reakcijas līdzsvara konstanti K, izmantojot ΔG° = −RT ln(K), kur R ir gāzu konstante, 8,31446261815324 J/(mol·K), ko bieži noapaļo līdz 8,314. Apstākļiem, kas atšķiras no standarta stāvokļa, pilnā sakarība ir ΔG = ΔG° + RT ln(Q), kur Q ir reakcijas koeficients.

Gibsa brīvās enerģijas izmantošanas jomas

• Ķīmija: paredzēt, vai reakcija norisināsies, un izvēlēties apstākļus, kas veicina vēlamā produkta veidošanos.
• Bioķīmija: skaidrot, kā šūnas saista enerģiju izdalošas reakcijas, piemēram, glikozes noārdīšanu, ar reakcijām, kurām nepieciešama enerģija, piemēram, olbaltumvielu veidošanu.
• Materiālzinātne: paredzēt, kura materiāla fāze, piemēram, cieta vai šķidra, ir stabila noteiktā temperatūrā.
• Inženierzinātnes: izstrādāt rūpnieciskos procesus, sākot no metālu rafinēšanas līdz kurināmā elementiem, balstoties uz izdevīgiem enerģijas apstākļiem.

Gibsa brīvās enerģijas vēsture

Amerikāņu zinātnieks Džosaja Vilards Gibss (1839–1903) šo jēdzienu ieviesa savā darbā “On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”, kas pa daļām tika publicēts no 1875 līdz 1878 gadam. Šis darbs lika pamatus ķīmiskajai termodinamikai, lai gan sākotnēji Amerikas Savienotajās Valstīs tam pievērsa maz uzmanības. Tas kļuva plaši pazīstams pēc tam, kad Vilhelms Ostvalds to pārtulkoja vācu valodā. Ķīmiķi Gilberts N. Lūiss un Merls Rendals vēlāk palīdzēja standartizēt joprojām izmantoto apzīmējumu sistēmu savā 1923. gada grāmatā Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kas vienkāršiem vārdiem ir Gibsa brīvā enerģija? Tas ir skaitlis, kas norāda, vai ķīmiska reakcija vai fizikālas izmaiņas var notikt pašas no sevis. Negatīva vērtība nozīmē, ka tas ir iespējams; pozitīva vērtība nozīmē, ka nepieciešama ārēja enerģija.

Vai endotermiska reakcija var būt spontāna? Jā. Endotermiska reakcija (ΔH > 0) joprojām var būt spontāna, ja entropija pietiekami palielinās un temperatūra ir pietiekami augsta, lai TΔS būtu lielāks par ΔH un ΔG kļūtu negatīvs.

Kāda ir atšķirība starp ΔG un ΔG°? ΔG ir brīvās enerģijas izmaiņas faktiskajos apstākļos. ΔG° ir brīvās enerģijas izmaiņas standarta apstākļos, parasti pie 1 atm spiediena, 1 M koncentrācijas un bieži pie 298,15 K.

Vai negatīvs ΔG nozīmē, ka reakcija notiek ātri? Nē. ΔG raksturo, vai reakcija ir termodinamiski labvēlīga, nevis to, cik ātri tā norisinās. Spontāna reakcija joprojām var būt lēna, ja tai ir liela aktivācijas enerģija.

Kādas mērvienības izmanto šis kalkulators? Entalpiju izsaka kJ/mol, temperatūru — kelvinos, bet entropiju — kJ/(mol·K). Ja avotā entropija norādīta J/(mol·K), pirms ievadīšanas izdaliet šo vērtību ar 1000.

Kāda ir Gibsa brīvās enerģijas saistība ar līdzsvaru? Līdzsvara stāvoklī ΔG ir vienāda ar nulli. Standarta brīvās enerģijas izmaiņas ΔG° ar līdzsvara konstanti K saista vienādojums ΔG° = −RT ln(K).

Atsauces

1. Atkins, P. W. un de Paula, J. (2014). Atkinsa fizikālā ķīmija (10. izdevums). Oxford University Press.
2. Gibss, J. V. (1878). On the equilibrium of heterogeneous substances. Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108–248.
3. Lūiss, G. N., un Rendals, 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.