Gibbs Fri Energi Kalkylator - Förutsäg Spontanitet

Gibbs fria energi är ett värde som används inom kemi och fysik för att förutsäga om en reaktion eller process kommer att ske av sig själv, utan yttre hjälp. Den skrivs som ΔG och kombinerar ett systems värmeinnehåll med dess oordning till ett enda tal.

Vad är Gibbs fria energi?

Varje kemisk reaktion antingen avger eller absorberar värme och ökar eller minskar oordningen. Gibbs fria energi, uppkallad efter den amerikanske vetenskapsmannen Josiah Willard Gibbs, väger dessa två effekter mot varandra vid en given temperatur. Resultatet visar kemister om en reaktion är spontan, det vill säga kan fortsätta av sig själv när den väl har startat, eller icke-spontan, vilket innebär att den behöver en ständig energitillförsel för att fortsätta.

Gibbs fria energi säger inte hur snabbt en reaktion sker. En reaktion kan vara spontan och ändå ta flera år, eftersom hastigheten beror på en separat faktor som kallas aktiveringsenergi, inte på ΔG.

Formel för Gibbs fria energi

Förändringen i Gibbs fria energi beräknas som:

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

• ΔG — förändringen i Gibbs fria energi
• ΔH — förändringen i entalpi, den värme som avges eller absorberas under processen
• T — den absoluta temperaturen, mätt i kelvin (K)
• ΔS — förändringen i entropi, ett mått på oordning

Denna kalkylator använder kJ/mol för ΔH, kelvin för T och kJ/(mol·K) för ΔS, så resultatet anges i kJ/mol. Många läroböcker anger entropi i joule i stället för kilojoule (J/(mol·K)). För att använda ett värde från en lärobok här dividerar du det först med 1000 — exempelvis blir 50 J/(mol·K) 0,050 kJ/(mol·K).

Så beräknar man Gibbs fria energi

1. Ta reda på eller mät processens entalpiförändring (ΔH), i kJ/mol. Ett negativt värde betyder att processen avger värme; ett positivt värde betyder att den absorberar värme.
2. Om temperaturen inte redan anges i kelvin omvandlar du den till kelvin (K = °C + 273,15). Temperaturen måste vara högre än 0 K.
3. Ta reda på eller mät entropiförändringen (ΔS), i kJ/(mol·K). Ett positivt värde betyder att oordningen ökar; ett negativt värde betyder att den minskar.
4. Multiplicera T med ΔS och subtrahera sedan resultatet från ΔH. Svaret är ΔG, i kJ/mol.

Räkneexempel

Använd kalkylatorns exempelvärden: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K och ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

Eftersom ΔG är negativ är processen spontan vid 298 K.

Vad betyder tecknet för ΔG?

• ΔG < 0 — processen är spontan. Den kan ske utan en kontinuerlig yttre energikälla.
• ΔG = 0 — systemet befinner sig i jämvikt. Ingen ytterligare nettoförändring sker.
• ΔG > 0 — processen är icke-spontan. Den behöver energitillförsel för att fortgå på det angivna sättet.

Bestäm temperaturen där en reaktion blir spontan

Eftersom temperaturen multipliceras med ΔS i formeln kan en reaktion med positivt ΔH och positivt ΔS övergå från icke-spontan till spontan när temperaturen stiger. Övergången sker där ΔG = 0, vilket ger:

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

Om exempelvis ΔH = 15,0 kJ/mol och ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), når reaktionen jämvikt vid T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Under 300 K är reaktionen icke-spontan; över 300 K blir den spontan.

Gibbs standardfria energi (ΔG°)

Gibbs standardfria energi (ΔG°) är det värde som beräknas när reaktanter och produkter befinner sig i sina standardtillstånd, vanligtvis vid ett tryck på 1 atm och, för lösta ämnen, en koncentration på 1 M, ofta vid 298,15 K. Samma formel används, skriven ΔG° = ΔH° − TΔS°, med standardvärden för entalpi och entropi.

ΔG° är också kopplad till en reaktions jämviktskonstant K genom ΔG° = −RT ln(K), där R är gaskonstanten, 8,31446261815324 J/(mol·K), ofta avrundad till 8,314. För förhållanden som avviker från standardtillståndet är det fullständiga sambandet ΔG = ΔG° + RT ln(Q), där Q är reaktionskvoten.

Var Gibbs fria energi används

• Kemi: förutsäga om en reaktion kommer att fortgå och välja förhållanden som gynnar den önskade produkten.
• Biokemi: förklara hur celler kopplar energialstrande reaktioner, till exempel nedbrytning av glukos, till energikrävande reaktioner, till exempel uppbyggnad av proteiner.
• Materialvetenskap: förutsäga vilken fas hos ett material, till exempel fast eller flytande, som är stabil vid en given temperatur.
• Teknik: utforma industriella processer, från metallraffinering till bränsleceller, utifrån gynnsamma energiförhållanden.

Gibbs fria energis historia

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), en amerikansk vetenskapsman, introducerade detta begrepp i sin artikel "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", som publicerades i delar mellan 1875 och 1878. Arbetet lade grunden för kemisk termodynamik, även om det till en början väckte liten uppmärksamhet i USA. Det blev allmänt känt efter att Wilhelm Ostwald översatt det till tyska. Kemisterna Gilbert N. Lewis och Merle Randall bidrog senare till att standardisera den notation som fortfarande används i dag, i sin bok från 1923, Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Vanliga frågor

Vad är Gibbs fria energi med enkla ord? Det är ett tal som visar om en kemisk reaktion eller fysikalisk förändring kan ske av sig själv. Ett negativt värde betyder att den kan det; ett positivt värde betyder att den behöver yttre energi.

Kan en endoterm reaktion vara spontan? Ja. En endoterm reaktion (ΔH > 0) kan ändå vara spontan om entropin ökar tillräckligt och temperaturen är tillräckligt hög för att TΔS ska vara större än ΔH, vilket gör ΔG negativ.

Vad är skillnaden mellan ΔG och ΔG°? ΔG är förändringen i fri energi under de förhållanden som faktiskt råder. ΔG° är förändringen i fri energi under standardförhållanden, vanligtvis ett tryck på 1 atm, en koncentration på 1 M och ofta 298,15 K.

Betyder ett negativt ΔG att en reaktion sker snabbt? Nej. ΔG beskriver om en reaktion är termodynamiskt gynnsam, inte hur snabbt den sker. En spontan reaktion kan ändå gå långsamt om den har hög aktiveringsenergi.

Vilka enheter använder denna kalkylator? Entalpi i kJ/mol, temperatur i kelvin och entropi i kJ/(mol·K). Om en källa anger entropi i J/(mol·K), dividerar du värdet med 1000 innan du matar in det.

Hur hänger Gibbs fria energi samman med jämvikt? Vid jämvikt är ΔG lika med noll. Förändringen i standardfri energi ΔG° är kopplad till jämviktskonstanten K genom ΔG° = −RT ln(K).

Referenser

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10:e uppl.). 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), version 2,3.3.