Calculator Energie Liberă Gibbs - Prezicerea Spontaneității

Energia liberă Gibbs este o valoare utilizată în chimie și fizică pentru a prezice dacă o reacție sau un proces se va produce spontan, fără ajutor din exterior. Este notată cu ΔG și combină într-un singur număr conținutul de căldură al unui sistem cu gradul său de dezordine.

Ce este energia liberă Gibbs?

Orice reacție chimică fie eliberează, fie absoarbe căldură și fie crește, fie reduce gradul de dezordine. Energia liberă Gibbs, denumită după savantul american Josiah Willard Gibbs, compară aceste două efecte la o anumită temperatură. Rezultatul le indică chimiștilor dacă o reacție este spontană, adică poate continua de la sine după ce începe, sau nespontană, adică are nevoie de un aport constant de energie pentru a continua.

Energia liberă Gibbs nu indică viteza cu care se desfășoară o reacție. O reacție poate fi spontană și totuși să dureze ani, deoarece viteza depinde de un factor distinct, numit energie de activare, nu de ΔG.

Formula energiei libere Gibbs

Modificarea energiei libere Gibbs se calculează astfel:

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

• ΔG — modificarea energiei libere Gibbs
• ΔH — modificarea entalpiei, adicăldura eliberată sau absorbită în timpul procesului
• T — temperatura absolută, măsurată în kelvini (K)
• ΔS — modificarea entropiei, o măsură a gradului de dezordine

Acest calculator utilizează kJ/mol pentru ΔH, kelvini pentru T și kJ/(mol·K) pentru ΔS, astfel încât rezultatul este exprimat în kJ/mol. Multe manuale indică entropia în jouli, nu în kilojouli (J/(mol·K)). Pentru a utiliza aici o valoare dintr-un manual, împărțiți-o mai întâi la 1000 — de exemplu, 50 J/(mol·K) devin 0,050 kJ/(mol·K).

Cum se calculează energia liberă Gibbs

1. Identificați sau măsurați modificarea entalpiei (ΔH) a procesului, în kJ/mol. O valoare negativă înseamnă că procesul eliberează căldură; o valoare pozitivă înseamnă că o absoarbe.
2. Convertiți temperatura în kelvini dacă nu este deja exprimată astfel (K = °C + 273,15). Temperatura trebuie să fie mai mare decât 0 K.
3. Identificați sau măsurați modificarea entropiei (ΔS), în kJ/(mol·K). O valoare pozitivă înseamnă că gradul de dezordine crește; o valoare negativă înseamnă că acesta scade.
4. Înmulțiți T cu ΔS, apoi scădeți rezultatul din ΔH. Răspunsul este ΔG, în kJ/mol.

Exemplu de calcul

Utilizați valorile exemplificative ale calculatorului: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K și ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

Deoarece ΔG este negativă, procesul este spontan la 298 K.

Ce înseamnă semnul lui ΔG?

• ΔG < 0 — procesul este spontan. Se poate produce fără o sursă continuă de energie din exterior.
• ΔG = 0 — sistemul se află la echilibru. Nu mai există nicio modificare netă.
• ΔG > 0 — procesul este nespontan. Pentru a se desfășura conform ecuației, este necesar un aport de energie.

Determinarea temperaturii la care o reacție devine spontană

Deoarece temperatura înmulțește ΔS în formulă, o reacție cu ΔH pozitivă și ΔS pozitivă poate trece de la nespontană la spontană pe măsură ce temperatura crește. Trecerea are loc atunci când ΔG = 0, ceea ce conduce la:

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

De exemplu, dacă ΔH = 15,0 kJ/mol și ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), reacția ajunge la echilibru la T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Sub 300 K reacția este nespontană; peste 300 K devine spontană.

Energia liberă Gibbs standard (ΔG°)

Energia liberă Gibbs standard (ΔG°) este valoarea calculată atunci când reactanții și produșii se află în stările lor standard, de obicei la o presiune de 1 atm și, pentru substanțele dizolvate, la o concentrație de 1 M, adesea la 298,15 K. Se utilizează aceeași formulă, scrisă ΔG° = ΔH° − TΔS°, cu valorile standard ale entalpiei și entropiei.

ΔG° este, de asemenea, legată de constanta de echilibru K a unei reacții prin ΔG° = −RT ln(K), unde R este constanta gazelor, 8,31446261815324 J/(mol·K), rotunjită adesea la 8,314. Pentru condiții diferite de starea standard, relația completă este ΔG = ΔG° + RT ln(Q), unde Q este câtul de reacție.

Utilizările energiei libere Gibbs

• Chimie: prezicerea desfășurării unei reacții și alegerea condițiilor care favorizează produsul dorit.
• Biochimie: explicarea modului în care celulele cuplează reacțiile care eliberează energie, precum descompunerea glucozei, cu cele care necesită energie, precum sinteza proteinelor.
• Știința materialelor: prezicerea fazei unui material, cum ar fi faza solidă sau lichidă, care este stabilă la o anumită temperatură.
• Inginerie: proiectarea proceselor industriale, de la rafinarea metalelor la pilele de combustie, pe baza unor condiții energetice favorabile.

Istoria energiei libere Gibbs

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), un savant american, a introdus acest concept în lucrarea sa „On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”, publicată în părți între 1875 și 1878. Lucrarea a pus bazele termodinamicii chimice, deși inițial a atras puțină atenție în Statele Unite. A devenit cunoscută pe scară largă după ce Wilhelm Ostwald a tradus-o în germană. Chimiștii Gilbert N. Lewis și Merle Randall au contribuit ulterior la standardizarea notației utilizate și astăzi, în cartea lor din 1923, Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Întrebări frecvente

Ce este energia liberă Gibbs, pe scurt? Este un număr care indică dacă o reacție chimică sau o transformare fizică se poate produce de la sine. O valoare negativă înseamnă că se poate; o valoare pozitivă înseamnă că este necesară energie din exterior.

Poate fi spontană o reacție endotermă? Da. O reacție endotermă (ΔH > 0) poate fi totuși spontană dacă entropia crește suficient și temperatura este destul de ridicată pentru ca TΔS să fie mai mare decât ΔH, ceea ce face ca ΔG să fie negativă.

Care este diferența dintre ΔG și ΔG°? ΔG este modificarea energiei libere în condițiile care se aplică efectiv. ΔG° este modificarea energiei libere în condiții standard, de obicei la o presiune de 1 atm, o concentrație de 1 M și adesea la 298,15 K.

Înseamnă o valoare ΔG negativă că reacția se produce rapid? Nu. ΔG descrie dacă o reacție este favorabilă din punct de vedere termodinamic, nu viteza cu care se desfășoară. O reacție spontană poate fi totuși lentă dacă are o energie de activare mare.

Ce unități utilizează acest calculator? Entalpia este exprimată în kJ/mol, temperatura în kelvini, iar entropia în kJ/(mol·K). Dacă o sursă indică entropia în J/(mol·K), împărțiți valoarea la 1000 înainte de a o introduce.

Cum este legată energia liberă Gibbs de echilibru? La echilibru, ΔG este egală cu zero. Modificarea standard a energiei libere ΔG° este legată de constanta de echilibru K prin ΔG° = −RT ln(K).

Referințe

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ediția a 10-a). 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), versiunea 2,3.3.