Calculadora d'energia lliure de Gibbs per a reaccions termodinàmiques

Calcula l'energia lliure de Gibbs (ΔG) per determinar la espontaneïtat de la reacció introduint els valors d'enthalpia (ΔH), temperatura (T) i entropia (ΔS). Essencial per a aplicacions de química, bioquímica i termodinàmica.

Calculadora d'Energia Lliure de Gibbs

ΔG = ΔH - TΔS

On ΔG és l'energia lliure de Gibbs, ΔH és l'entalpia, T és la temperatura, i ΔS és l'entropia

kJ/mol
K
kJ/(mol·K)
📚

Documentació

Calculadora d'Energia Lliure de Gibbs

Introducció

La Calculadora d'Energia Lliure de Gibbs és una eina essencial en termodinàmica que ajuda a determinar si una reacció química o un procés físic es produirà espontàniament en condicions de temperatura i pressió constants. Anomenada així en honor a Josiah Willard Gibbs, aquest potencial termodinàmic és crucial per entendre l'equilibri químic, la viabilitat de les reaccions i les transformacions d'energia en diverses aplicacions científiques i d'enginyeria. La nostra calculadora proporciona una manera senzilla de calcular l'Energia Lliure de Gibbs (ΔG) utilitzant l'equació fonamental ΔG = ΔH - TΔS, on ΔH representa el canvi d'enthalpia, T és la temperatura i ΔS és el canvi d'entropia.

L'Energia Lliure de Gibbs serveix com un potent predictor de la spontaneïtat de la reacció: els valors negatius indiquen processos espontanis, mentre que els valors positius signifiquen reaccions no espontànies que requereixen una entrada d'energia. En entendre i calcular aquest paràmetre termodinàmic essencial, científics, enginyers i estudiants poden predir els resultats de les reaccions, optimitzar processos i obtenir una comprensió més profunda de l'energia de les transformacions químiques i físiques.

Fórmula de l'Energia Lliure de Gibbs

El canvi d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG) es calcula mitjançant la següent equació:

ΔG=ΔHTΔS\Delta G = \Delta H - T\Delta S

On:

  • ΔG = canvi d'Energia Lliure de Gibbs (kJ/mol)
  • ΔH = canvi d'enthalpia (kJ/mol)
  • T = temperatura (Kelvin)
  • ΔS = canvi d'entropia (kJ/(mol·K))

Aquesta equació representa l'equilibri entre dos factors termodinàmics fonamentals:

  1. Canvi d'enthalpia (ΔH): Representa l'intercanvi de calor durant un procés a pressió constant
  2. Canvi d'entropia (ΔS): Representa el canvi en l'ordenament del sistema, multiplicat per la temperatura

Interpretació dels Resultats

El signe de ΔG proporciona informació crucial sobre la spontaneïtat de la reacció:

  • ΔG < 0 (negatiu): El procés és espontani (exergònic) i pot ocórrer sense entrada d'energia externa
  • ΔG = 0: El sistema està en equilibri sense canvi net
  • ΔG > 0 (positiu): El procés és no espontani (endergònic) i requereix entrada d'energia per procedir

És important notar que la spontaneïtat no indica necessàriament la velocitat de la reacció: una reacció espontània pot procedir molt lentament sense un catalitzador.

Energia Lliure de Gibbs Estàndard

El canvi d'Energia Lliure de Gibbs estàndard (ΔG°) es refereix al canvi d'energia quan tots els reactius i productes estan en els seus estats estàndard (típicament a 1 atm de pressió, 1 M de concentració per a solucions, i sovint a 298.15 K o 25°C). L'equació es converteix en:

ΔG°=ΔH°TΔS°\Delta G° = \Delta H° - T\Delta S°

On ΔH° i ΔS° són els canvis d'enthalpia i entropia estàndard, respectivament.

Com Utilitzar Aquesta Calculadora

La nostra Calculadora d'Energia Lliure de Gibbs està dissenyada per a la simplicitat i la facilitat d'ús. Seguiu aquests passos per calcular el canvi d'Energia Lliure de Gibbs per a la vostra reacció o procés:

  1. Introduïu el Canvi d'Enthalpia (ΔH) en quilojoules per mol (kJ/mol)

    • Aquest valor representa la calor absorbida o alliberada durant la reacció a pressió constant
    • Els valors positius indiquen processos endotèrmics (calor absorbida)
    • Els valors negatius indiquen processos exotèrmics (calor alliberada)
  2. Introduïu la Temperatura (T) en Kelvin

    • Recordeu convertir de Celsius si és necessari (K = °C + 273.15)
    • La temperatura estàndard és típicament 298.15 K (25°C)
  3. Introduïu el Canvi d'Entropia (ΔS) en quilojoules per mol-Kelvin (kJ/(mol·K))

    • Aquest valor representa el canvi en l'ordenament o aleatorietat
    • Els valors positius indiquen un augment de l'ordenament
    • Els valors negatius indiquen una disminució de l'ordenament
  4. Veureu el Resultat

    • La calculadora calcularà automàticament el canvi d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG)
    • El resultat es mostrarà en kJ/mol
    • S'oferirà una interpretació sobre si el procés és espontani o no espontani

Validació d'Entrades

La calculadora realitza les següents comprovacions sobre les entrades de l'usuari:

  • Tots els valors han de ser numèrics
  • La temperatura ha de ser en Kelvin i positiva (T > 0)
  • L'enthalpia i l'entropia poden ser positives, negatives o zero

Si es detecten entrades no vàlides, es mostrarà un missatge d'error, i el càlcul no procedirà fins que es corregeixi.

Exemple de Càlcul Pas a Pas

Fem un recorregut a través d'un exemple pràctic per demostrar com utilitzar la Calculadora d'Energia Lliure de Gibbs:

Exemple: Calculeu el canvi d'Energia Lliure de Gibbs per a una reacció amb ΔH = -92.4 kJ/mol i ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K) a 298 K.

  1. Introduïu ΔH = -92.4 kJ/mol

  2. Introduïu T = 298 K

  3. Introduïu ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K)

  4. La calculadora realitza el càlcul: ΔG = ΔH - TΔS ΔG = -92.4 kJ/mol - (298 K × 0.0987 kJ/(mol·K)) ΔG = -92.4 kJ/mol - 29.41 kJ/mol ΔG = -121.81 kJ/mol

  5. Interpretació: Com que ΔG és negatiu (-121.81 kJ/mol), aquesta reacció és espontània a 298 K.

Casos d'Ús

Els càlculs de l'Energia Lliure de Gibbs són essencials en nombroses aplicacions científiques i d'enginyeria:

1. Viabilitat de Reaccions Químiques

Els químics utilitzen l'Energia Lliure de Gibbs per predir si una reacció es produirà espontàniament en condicions donades. Això ajuda en:

  • Dissenyar rutes sintètiques per a nous compostos
  • Optimitzar les condicions de reacció per millorar els rendiments
  • Entendre mecanismes de reacció i intermediaris
  • Predir distribucions de productes en reaccions competidores

2. Processos Bioquímics

En bioquímica i biologia molecular, l'Energia Lliure de Gibbs ajuda a entendre:

  • Vies metabòliques i transformacions d'energia
  • Plegament i estabilitat de proteïnes
  • Reaccions catalitzades per enzims
  • Processos de transport a través de membranes cel·lulars
  • Interaccions entre ADN i ARN

3. Ciència dels Materials

Els científics i enginyers de materials utilitzen càlculs de l'Energia Lliure de Gibbs per a:

  • Desenvolupament de diagrames de fases
  • Disseny i optimització d'aliatges
  • Predir el comportament de corrosió
  • Entendre reaccions en estat sòlid
  • Dissenyar nous materials amb propietats específiques

4. Ciència Ambiental

Les aplicacions ambientals inclouen:

  • Predir el transport i el destí de contaminants
  • Entendre processos geoquímics
  • Modelar reaccions atmosfèriques
  • Dissenyar estratègies de remediació
  • Estudiar mecanismes del canvi climàtic

5. Processos Industrials

En entorns industrials, els càlculs de l'Energia Lliure de Gibbs ajuden a optimitzar:

  • Processos de fabricació química
  • Operacions de refinament de petroli
  • Producció farmacèutica
  • Tècniques de processament d'aliments
  • Sistemes de generació d'energia

Alternatives

Si bé l'Energia Lliure de Gibbs és una eina termodinàmica poderosa, altres paràmetres relacionats poden ser més apropiats en certes situacions:

1. Energia Lliure de Helmholtz (A o F)

Definida com A = U - TS (on U és l'energia interna), l'Energia Lliure de Helmholtz és més apropiada per a sistemes a volum constant en lloc de pressió constant. És particularment útil en:

  • Mecànica estadística
  • Física de l'estat sòlid
  • Sistemes on el volum està restringit

2. Enthalpia (H)

Per a processos on només importa l'intercanvi de calor i els efectes d'entropia són negligibles, l'enthalpia (H = U + PV) pot ser suficient. Això s'utilitza sovint en:

  • Càlculs de combustió simples
  • Processos de calefacció i refredament
  • Experiments de calorimetria

3. Entropia (S)

Quan es centra exclusivament en l'ordenament i la probabilitat, l'entropia per si sola pot ser el paràmetre d'interès, especialment en:

  • Teoria de la informació
  • Anàlisi estadística
  • Estudis d'irreversibilitat
  • Càlculs d'eficiència de motors de calor

4. Potencial Químic (μ)

Per a sistemes amb composició variable, el potencial químic (energia lliure parcial de Gibbs) esdevé important en:

  • Equilibris de fase
  • Química de solucions
  • Sistemes electroquímics
  • Transport a través de membranes

Història de l'Energia Lliure de Gibbs

El concepte d'Energia Lliure de Gibbs té una rica història en el desenvolupament de la termodinàmica:

Orígens i Desenvolupament

Josiah Willard Gibbs (1839-1903), un científic i matemàtic americà, va introduir per primera vegada el concepte en el seu treball pioner "Sobre l'Equilibri de Substàncies Heterogènies", publicat entre 1875 i 1878. Aquesta obra es considera un dels grans assoliments de la ciència física del segle XIX, establint la base de la termodinàmica química.

Gibbs va desenvolupar aquest potencial termodinàmic mentre buscava entendre les condicions d'equilibri en sistemes químics. Va reconèixer que a temperatura i pressió constants, la direcció del canvi espontani es podia predir mitjançant una sola funció que combinava els efectes d'enthalpia i entropia.

Fites Històriques Clau

  • 1873: Gibbs comença a publicar el seu treball sobre sistemes termodinàmics
  • 1875-1878: Publicació de "Sobre l'Equilibri de Substàncies Heterogènies" que introdueix el concepte d'energia de Gibbs
  • 1882-1883: El físic alemany Hermann von Helmholtz deriva de manera independent relacions similars
  • Principis del segle XX: Gilbert N. Lewis i Merle Randall normalitzen la notació i les aplicacions de la termodinàmica química
  • 1923: Lewis i Randall publiquen "Termodinàmica i l'Energia Lliure de Substàncies Químiques", popularitzant l'ús de l'Energia Lliure de Gibbs en química
  • 1933: Edward A. Guggenheim introdueix la notació i la terminologia modernes que s'utilitzen encara avui
  • Mitjan segle XX: Integració dels conceptes d'energia de Gibbs amb la mecànica estadística i la teoria quàntica
  • Finals del segle XX: Mètodes computacionals permeten càlculs complexos d'energia de Gibbs per a sistemes reals

Impacte i Llegat

El treball de Gibbs inicialment va rebre poca atenció als Estats Units, però va ser molt valorat a Europa, especialment després de ser traduït a l'alemany per Wilhelm Ostwald. Avui, l'Energia Lliure de Gibbs és un concepte fonamental en química física, enginyeria química, ciència dels materials i bioquímica. La capacitat de predir la spontaneïtat de les reaccions i les posicions d'equilibri mitjançant càlculs de l'Energia Lliure de Gibbs ha permès nombrosos avenços científics i innovacions tecnològiques.

Exemple de Codi

Aquí teniu exemples de com calcular l'Energia Lliure de Gibbs en diversos llenguatges de programació:

1' Fórmula d'Excel per a l'Energia Lliure de Gibbs
2=B2-(C2*D2)
3
4' On:
5' B2 conté el canvi d'enthalpia (ΔH) en kJ/mol
6' C2 conté la temperatura (T) en Kelvin
7' D2 conté el canvi d'entropia (ΔS) en kJ/(mol·K)
8

Dependència de la Temperatura de l'Energia Lliure de Gibbs

Dependència de la Temperatura de l'Energia Lliure de Gibbs Diagrama que mostra com canvia l'Energia Lliure de Gibbs amb la temperatura per a diferents escenaris d'enthalpia i entropia

Temperatura (K) Energia Lliure de Gibbs (kJ/mol)

0 ΔH < 0, ΔS > 0 ΔH > 0, ΔS < 0 ΔH < 0, ΔS < 0 ΔH > 0, ΔS > 0

Espontani (ΔG < 0) No espontani (ΔG > 0)

100 200 300 400

Exemple Numèrics

Aquí teniu alguns exemples pràctics de càlculs de l'Energia Lliure de Gibbs:

Exemple 1: Reacció Exotèrmica amb Augment d'Entropia

  • Canvi d'enthalpia (ΔH) = -85.0 kJ/mol
  • Temperatura (T) = 298 K
  • Canvi d'entropia (ΔS) = 0.156 kJ/(mol·K)
  • Canvi d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG) = -85.0 - (298 × 0.156) = -131.49 kJ/mol
  • Interpretació: Reacció espontània fortament degut a l'enthalpia i l'entropia favorables

Exemple 2: Reacció Endotèrmica amb Augment d'Entropia

  • Canvi d'enthalpia (ΔH) = 42.5 kJ/mol
  • Temperatura (T) = 298 K
  • Canvi d'entropia (ΔS) = 0.125 kJ/(mol·K)
  • Canvi d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG) = 42.5 - (298 × 0.125) = 5.25 kJ/mol
  • Interpretació: No espontània a 298 K, però podria esdevenir espontània a temperatures més altes

Exemple 3: Spontaneïtat Dependència de la Temperatura

  • Canvi d'enthalpia (ΔH) = 30.0 kJ/mol
  • Canvi d'entropia (ΔS) = 0.100 kJ/(mol·K)
  • A T = 273 K: ΔG = 30.0 - (273 × 0.100) = 2.7 kJ/mol (no espontània)
  • A T = 298 K: ΔG = 30.0 - (298 × 0.100) = 0.2 kJ/mol (no espontània)
  • A T = 303 K: ΔG = 30.0 - (303 × 0.100) = -0.3 kJ/mol (espontània)
  • Interpretació: Aquesta reacció esdevé espontània per sobre d'aproximadament 300 K

Exemple 4: Temperatura d'Equilibri

Per a una reacció amb ΔH = 15.0 kJ/mol i ΔS = 0.050 kJ/(mol·K), a quina temperatura es produirà l'equilibri?

A l'equilibri, ΔG = 0, així que: 0 = 15.0 - (T × 0.050) T = 15.0 ÷ 0.050 = 300 K

Interpretació: Per sota de 300 K, la reacció és no espontània; per sobre de 300 K, esdevé espontània.

Preguntes Freqüents

Què és l'Energia Lliure de Gibbs?

L'Energia Lliure de Gibbs (G) és un potencial termodinàmic que mesura el treball reversible màxim que un sistema pot realitzar a temperatura i pressió constants. El canvi d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG) indica si un procés es produirà espontàniament.

Com interpreto un valor negatiu d'Energia Lliure de Gibbs?

Un canvi negatiu d'Energia Lliure de Gibbs (ΔG < 0) indica que la reacció o el procés és espontani i pot procedir sense entrada d'energia externa. Significa que la reacció allibera energia utilitzable mentre avança cap a l'equilibri.

Pot una reacció amb ΔH positiu ser espontània?

Sí, una reacció amb un canvi d'enthalpia positiu (endotèrmica) pot ser espontània si el canvi d'entropia és suficientment positiu i la temperatura és prou alta. Quan TΔS supera ΔH, l'ΔG total esdevé negatiu, fent que el procés sigui espontani.

Quina és la diferència entre ΔG i ΔG°?

ΔG es refereix al canvi d'Energia Lliure de Gibbs en qualsevol condició, mentre que ΔG° representa el canvi d'Energia Lliure de Gibbs estàndard quan tots els reactius i productes estan en els seus estats estàndard (típicament a 1 atm de pressió, 1 M de concentració per a solucions, i sovint a 298.15 K).

Com afecta la temperatura la spontaneïtat de les reaccions?

La temperatura afecta directament el terme TΔS a l'equació de Gibbs. Per a reaccions amb canvi d'entropia positiu (ΔS > 0), augmentar la temperatura fa que el terme -TΔS sigui més negatiu, potencialment fent que l'ΔG total sigui negatiu (espontani). A l'inrevés, per a reaccions amb canvi d'entropia negatiu (ΔS < 0), augmentar la temperatura fa que la reacció sigui menys favorable.

Quina és la relació entre l'Energia Lliure de Gibbs i l'equilibri?

A l'equilibri, ΔG = 0. El canvi d'Energia Lliure de Gibbs estàndard (ΔG°) està relacionat amb la constant d'equilibri (K) mitjançant l'equació: ΔG° = -RT ln(K), on R és la constant dels gasos i T és la temperatura en Kelvin.

Pot l'Energia Lliure de Gibbs predir les velocitats de reacció?

No, l'Energia Lliure de Gibbs només prediu si una reacció és termodinàmicament favorable (espontània), no quina velocitat tindrà. Una reacció pot ser molt espontània (gran ΔG negatiu) però procedir molt lentament a causa de barreres cinètiques o alta energia d'activació.

Com puc calcular l'Energia Lliure de Gibbs per a reaccions en condicions no estàndard?

Per a condicions no estàndard, podeu utilitzar l'equació: ΔG = ΔG° + RT ln(Q), on Q és el quocient de reacció, R és la constant dels gasos, i T és la temperatura en Kelvin.

Quines unitats s'utilitzen per a l'Energia Lliure de Gibbs?

L'Energia Lliure de Gibbs s'expressa típicament en quilojoules per mol (kJ/mol) o calories per mol (cal/mol). En unitats SI, seria joules per mol (J/mol).

Qui va descobrir l'Energia Lliure de Gibbs?

Josiah Willard Gibbs, un científic americà, va desenvolupar el concepte d'Energia Lliure de Gibbs en el seu treball "Sobre l'Equilibri de Substàncies Heterogènies", publicat entre 1875 i 1878. Aquesta obra va establir la base de la termodinàmica química.

Referències

  1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10a ed.). Oxford University Press.

  2. Chang, R. (2019). Physical Chemistry for the Chemical Sciences. University Science Books.

  3. Engel, T., & Reid, P. (2018). Physical Chemistry (4a ed.). Pearson.

  4. Levine, I. N. (2015). Physical Chemistry (6a ed.). McGraw-Hill Education.

  5. Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (8a ed.). McGraw-Hill Education.

  6. Gibbs, J. W. (1878). Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies. Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108-248.

  7. Lewis, G. N., & Randall, M. (1923). Termodinàmica i l'Energia Lliure de Substàncies Químiques. McGraw-Hill.

  8. IUPAC. (2014). Compendi de Termes Químics (Llibre d'Or). Versió 2.3.3. Recuperat de http://goldbook.iupac.org/

  9. Sandler, S. I. (2017). Termodinàmica Química, Bioquímica i d'Enginyeria (5a ed.). Wiley.

  10. Denbigh, K. (1981). Els Principis de l'Equilibri Químic (4a ed.). Cambridge University Press.


Preparat per calcular l'Energia Lliure de Gibbs per a les vostres reaccions o processos químics? Utilitzeu la nostra calculadora anterior per determinar ràpidament si la vostra reacció serà espontània sota les vostres condicions específiques. Entendre l'Energia Lliure de Gibbs és clau per predir el comportament químic i optimitzar processos en aplicacions de química, bioquímica i enginyeria.