Kalkulator Tenaga Bebas Gibbs - Ramal Spontaniti

Tenaga bebas Gibbs ialah nilai yang digunakan dalam kimia dan fizik untuk meramalkan sama ada tindak balas atau proses akan berlaku dengan sendiri, tanpa bantuan luar. Ia ditulis sebagai ΔG dan menggabungkan kandungan haba sistem dengan ketidakteraturannya menjadi satu nombor.

Apakah tenaga bebas Gibbs?

Setiap tindak balas kimia sama ada membebaskan atau menyerap haba, dan sama ada meningkatkan atau mengurangkan ketidakteraturan. Tenaga bebas Gibbs, yang dinamakan sempena ahli sains Amerika Josiah Willard Gibbs, menimbangkan kedua-dua kesan ini terhadap satu sama lain pada suhu tertentu. Hasilnya memberitahu ahli kimia sama ada tindak balas itu spontan, iaitu boleh berlangsung dengan sendiri selepas bermula, atau tidak spontan, iaitu memerlukan input tenaga yang berterusan untuk terus berlangsung.

Tenaga bebas Gibbs tidak menyatakan kelajuan tindak balas. Sesuatu tindak balas boleh menjadi spontan tetapi masih mengambil masa bertahun-tahun, kerana kelajuannya bergantung pada faktor berasingan yang dipanggil tenaga pengaktifan, bukannya pada ΔG.

Formula tenaga bebas Gibbs

Perubahan tenaga bebas Gibbs dikira seperti berikut:

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

• ΔG — perubahan tenaga bebas Gibbs
• ΔH — perubahan entalpi, iaitu haba yang dibebaskan atau diserap semasa proses
• T — suhu mutlak, diukur dalam kelvin (K)
• ΔS — perubahan entropi, iaitu ukuran ketidakteraturan

Kalkulator ini menggunakan kJ/mol untuk ΔH, kelvin untuk T dan kJ/(mol·K) untuk ΔS, jadi hasilnya adalah dalam kJ/mol. Banyak buku teks menyenaraikan entropi dalam joule dan bukannya kilojoule (J/(mol·K)). Untuk menggunakan nilai daripada buku teks di sini, bahagikannya dengan 1000 terlebih dahulu — sebagai contoh, 50 J/(mol·K) menjadi 0.050 kJ/(mol·K).

Cara mengira tenaga bebas Gibbs

1. Cari atau ukur perubahan entalpi (ΔH) proses, dalam kJ/mol. Nilai negatif bermaksud proses itu membebaskan haba; nilai positif bermaksud proses itu menyerap haba.
2. Tukarkan suhu kepada kelvin jika belum dalam unit tersebut (K = °C + 273.15). Suhu mestilah lebih tinggi daripada 0 K.
3. Cari atau ukur perubahan entropi (ΔS), dalam kJ/(mol·K). Nilai positif bermaksud ketidakteraturan meningkat; nilai negatif bermaksud ketidakteraturan berkurang.
4. Darabkan T dengan ΔS, kemudian tolak hasil itu daripada ΔH. Jawapannya ialah ΔG, dalam kJ/mol.

Contoh pengiraan

Gunakan nilai contoh kalkulator: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K dan ΔS = 0.05 kJ/(mol·K).

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

Oleh sebab ΔG adalah negatif, proses itu spontan pada 298 K.

Apakah maksud tanda ΔG?

• ΔG < 0 — proses itu spontan. Ia boleh berlaku tanpa sumber tenaga luar yang berterusan.
• ΔG = 0 — sistem berada pada keseimbangan. Tiada perubahan bersih selanjutnya.
• ΔG > 0 — proses itu tidak spontan. Ia memerlukan input tenaga untuk berlangsung seperti yang ditulis.

Menentukan suhu apabila tindak balas menjadi spontan

Oleh sebab suhu mendarabkan ΔS dalam formula, tindak balas dengan ΔH positif dan ΔS positif boleh berubah daripada tidak spontan kepada spontan apabila suhu meningkat. Perubahan itu berlaku apabila ΔG = 0, yang memberikan:

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

Sebagai contoh, jika ΔH = 15.0 kJ/mol dan ΔS = 0.050 kJ/(mol·K), tindak balas mencapai keseimbangan pada T = 15.0 ÷ 0.050 = 300 K. Di bawah 300 K, tindak balas itu tidak spontan; di atas 300 K, tindak balas itu menjadi spontan.

Tenaga bebas Gibbs piawai (ΔG°)

Tenaga bebas Gibbs piawai (ΔG°) ialah nilai yang dikira apabila bahan tindak balas dan hasil tindak balas berada dalam keadaan piawai masing-masing, biasanya pada tekanan 1 atm dan, bagi bahan terlarut, kepekatan 1 M, selalunya pada 298.15 K. Ia menggunakan formula yang sama, ditulis sebagai ΔG° = ΔH° − TΔS°, dengan nilai entalpi dan entropi piawai.

ΔG° juga menghubungkan pemalar keseimbangan K bagi sesuatu tindak balas melalui ΔG° = −RT ln(K), dengan R ialah pemalar gas, 8.31446261815324 J/(mol·K), yang sering dibundarkan kepada 8.314. Bagi keadaan yang berbeza daripada keadaan piawai, hubungan penuh ialah ΔG = ΔG° + RT ln(Q), dengan Q ialah hasil bahagi tindak balas.

Kegunaan tenaga bebas Gibbs

• Kimia: meramalkan sama ada tindak balas akan berlangsung dan memilih keadaan yang menggalakkan pembentukan hasil yang dikehendaki.
• Biokimia: menerangkan cara sel menggabungkan tindak balas yang membebaskan tenaga, seperti penguraian glukosa, dengan tindak balas yang memerlukan tenaga, seperti pembinaan protein.
• Sains bahan: meramalkan fasa bahan, seperti pepejal atau cecair, yang stabil pada suhu tertentu.
• Kejuruteraan: mereka bentuk proses perindustrian, daripada penapisan logam hingga sel bahan api, berdasarkan keadaan tenaga yang menggalakkan.

Sejarah tenaga bebas Gibbs

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), seorang ahli sains Amerika, memperkenalkan konsep ini dalam makalahnya "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", yang diterbitkan secara berperingkat antara 1875 dengan 1878. Karya itu menjadi asas termodinamik kimia, walaupun pada mulanya kurang mendapat perhatian di Amerika Syarikat. Karya tersebut menjadi terkenal secara meluas selepas Wilhelm Ostwald menterjemahkannya ke dalam bahasa Jerman. Ahli kimia Gilbert N. Lewis dan Merle Randall kemudiannya membantu menyeragamkan tatatanda yang masih digunakan sehingga kini, dalam buku mereka bertarikh 1923, Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Soalan lazim

Apakah tenaga bebas Gibbs dalam istilah mudah? Ia ialah nombor yang menunjukkan sama ada tindak balas kimia atau perubahan fizikal boleh berlaku dengan sendiri. Nilai negatif bermaksud ia boleh berlaku; nilai positif bermaksud ia memerlukan tenaga luar.

Bolehkah tindak balas endotermik menjadi spontan? Ya. Tindak balas endotermik (ΔH > 0) masih boleh menjadi spontan jika entropi meningkat secukupnya dan suhu cukup tinggi sehingga TΔS lebih besar daripada ΔH, lalu menjadikan ΔG negatif.

Apakah perbezaan antara ΔG dengan ΔG°? ΔG ialah perubahan tenaga bebas di bawah apa-apa keadaan yang sebenarnya berlaku. ΔG° ialah perubahan tenaga bebas di bawah keadaan piawai, biasanya tekanan 1 atm, kepekatan 1 M dan selalunya suhu 298.15 K.

Adakah ΔG negatif bermaksud tindak balas berlaku dengan cepat? Tidak. ΔG menerangkan sama ada tindak balas menguntungkan dari segi termodinamik, bukannya kelajuan tindak balas itu. Tindak balas spontan masih boleh berlaku dengan perlahan jika mempunyai tenaga pengaktifan yang tinggi.

Apakah unit yang digunakan oleh kalkulator ini? Entalpi dalam kJ/mol, suhu dalam kelvin dan entropi dalam kJ/(mol·K). Jika sumber menyenaraikan entropi dalam J/(mol·K), bahagikan nilainya dengan 1000 sebelum memasukkannya.

Bagaimanakah tenaga bebas Gibbs berkaitan dengan keseimbangan? Pada keseimbangan, ΔG bersamaan sifar. Perubahan tenaga bebas piawai ΔG° berkaitan dengan pemalar keseimbangan K melalui ΔG° = −RT ln(K).

Rujukan

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (edisi ke-10). 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), Versi 2.3.3.