Gibbs Fri Energi Kalkulator - Forutsi Spontanitet

Gibbs' frie energi er en størrelse som brukes i kjemi og fysikk til å forutsi om en reaksjon eller prosess vil skje av seg selv, uten hjelp utenfra. Den skrives som ΔG og kombinerer et systems varmeinnhold med dets uorden i ett tall.

Hva er Gibbs' frie energi?

Alle kjemiske reaksjoner enten frigjør eller absorberer varme, og enten øker eller reduserer uorden. Gibbs' frie energi, oppkalt etter den amerikanske vitenskapsmannen Josiah Willard Gibbs, veier disse to effektene opp mot hverandre ved en gitt temperatur. Resultatet forteller kjemikere om en reaksjon er spontan, det vil si at den kan fortsette av seg selv når den først har begynt, eller ikke-spontan, det vil si at den trenger en jevn tilførsel av energi for å fortsette.

Gibbs fri energi sier ikke hvor raskt en reaksjon skjer. En reaksjon kan være spontan og likevel ta flere år, fordi hastigheten avhenger av en separat faktor som kalles aktiveringsenergi, ikke av ΔG.

Formel for Gibbs' frie energi

Endringen i Gibbs' frie energi beregnes slik:

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

• ΔG — endringen i Gibbs fri energi
• ΔH — endringen i entalpi, varmen som frigjøres eller absorberes under prosessen
• T — den absolutte temperaturen, målt i kelvin (K)
• ΔS — endringen i entropi, et mål på uorden

Denne kalkulatoren bruker kJ/mol for ΔH, kelvin for T og kJ/(mol·K) for ΔS, slik at resultatet blir oppgitt i kJ/mol. Mange lærebøker oppgir entropi i joule i stedet for kilojoule (J/(mol·K)). For å bruke en verdi fra en lærebok her må du først dele den på 1000 — for eksempel blir 50 J/(mol·K) til 0,050 kJ/(mol·K).

Slik beregner du Gibbs fri energi

1. Finn eller mål entalpiendringen (ΔH) for prosessen, i kJ/mol. En negativ verdi betyr at prosessen frigjør varme; en positiv verdi betyr at den absorberer varme.
2. Konverter temperaturen til kelvin hvis den ikke allerede er oppgitt slik (K = °C + 273,15). Temperaturen må være høyere enn 0 K.
3. Finn eller mål entropiendringen (ΔS), i kJ/(mol·K). En positiv verdi betyr at uordenen øker; en negativ verdi betyr at den reduseres.
4. Multipliser T med ΔS, og trekk deretter resultatet fra ΔH. Svaret er ΔG, i kJ/mol.

Regneeksempel

Bruk eksempelverdiene i kalkulatoren: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K og ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

Siden ΔG er negativ, er prosessen spontan ved 298 K.

Hva betyr fortegnet til ΔG?

• ΔG < 0 — prosessen er spontan. Den kan skje uten en kontinuerlig energikilde utenfra.
• ΔG = 0 — systemet er i likevekt. Det skjer ingen ytterligere nettoendring.
• ΔG > 0 — prosessen er ikke-spontan. Den trenger energitilførsel for å fortsette slik den er skrevet.

Finne temperaturen der en reaksjon blir spontan

Siden temperaturen multipliserer ΔS i formelen, kan en reaksjon med positiv ΔH og positiv ΔS gå fra å være ikke-spontan til å bli spontan når temperaturen øker. Overgangen skjer der ΔG = 0, som gir:

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

Hvis for eksempel ΔH = 15,0 kJ/mol og ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), når reaksjonen likevekt ved T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Under 300 K er reaksjonen ikke-spontan; over 300 K blir den spontan.

Standard Gibbs' frie energi (ΔG°)

Standard Gibbs' frie energi (ΔG°) er verdien som beregnes når reaktanter og produkter befinner seg i standardtilstandene sine, vanligvis ved et trykk på 1 atm og, for oppløste stoffer, en konsentrasjon på 1 M, ofte ved 298,15 K. Den bruker den samme formelen, skrevet ΔG° = ΔH° − TΔS°, med standardverdier for entalpi og entropi.

ΔG° er også knyttet til likevektskonstanten K for en reaksjon gjennom ΔG° = −RT ln(K), der R er gasskonstanten, 8,31446261815324 J/(mol·K), ofte avrundet til 8,314. For betingelser som avviker fra standardtilstanden er den fullstendige sammenhengen ΔG = ΔG° + RT ln(Q), der Q er reaksjonskvotienten.

Hvor Gibbs fri energi brukes

• Kjemi: forutsi om en reaksjon vil fortsette, og velge betingelser som fremmer det ønskede produktet.
• Biokjemi: forklare hvordan celler kobler energifrigjørende reaksjoner, som nedbrytning av glukose, til energikrevende reaksjoner, som oppbygging av proteiner.
• Materialvitenskap: forutsi hvilken fase av et materiale, for eksempel fast eller flytende, som er stabil ved en gitt temperatur.
• Ingeniørfag: utforme industrielle prosesser, fra metallraffinering til brenselceller, med utgangspunkt i gunstige energibetingelser.

Gibbs' frie energis historie

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), en amerikansk vitenskapsmann, introduserte dette konseptet i artikkelen «On the Equilibrium of Heterogeneous Substances», som ble publisert i deler mellom 1875 og 1878. Arbeidet la grunnlaget for kjemisk termodynamikk, selv om det først fikk liten oppmerksomhet i USA. Det ble allment kjent etter at Wilhelm Ostwald oversatte det til tysk. Kjemikerne Gilbert N. Lewis og Merle Randall bidro senere til å standardisere notasjonen som fortsatt brukes i dag, i boken Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances fra 1923.

Ofte stilte spørsmål

Hva er Gibbs' frie energi, forklart enkelt? Det er et tall som forteller om en kjemisk reaksjon eller fysisk endring kan skje av seg selv. En negativ verdi betyr at den kan det; en positiv verdi betyr at den trenger energi utenfra.

Kan en endoterm reaksjon være spontan? Ja. En endoterm reaksjon (ΔH > 0) kan likevel være spontan hvis entropien øker tilstrekkelig, og temperaturen er høy nok til at TΔS er større enn ΔH, slik at ΔG blir negativ.

Hva er forskjellen mellom ΔG og ΔG°? ΔG er endringen i fri energi under de faktiske betingelsene. ΔG° er endringen i fri energi under standardbetingelser, vanligvis ved et trykk på 1 atm, en konsentrasjon på 1 M og ofte ved 298,15 K.

Betyr en negativ ΔG at en reaksjon skjer raskt? Nei. ΔG beskriver om en reaksjon er termodynamisk gunstig, ikke hvor raskt den skjer. En spontan reaksjon kan likevel være langsom hvis den har høy aktiveringsenergi.

Hvilke enheter bruker denne kalkulatoren? Entalpi i kJ/mol, temperatur i kelvin og entropi i kJ/(mol·K). Hvis en kilde oppgir entropi i J/(mol·K), må verdien deles på 1000 før den legges inn.

Hvordan henger Gibbs' frie energi sammen med likevekt? Ved likevekt er ΔG lik null. Standardendringen i fri energi ΔG° er knyttet til likevektskonstanten K gjennom ΔG° = −RT ln(K).

Referanser

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. utg.). 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), versjon 2,3.3.