Gibbs Serbest Enerjisi Hesaplayıcı - Kendiliğinden Gerçekleşme Tahmini

Gibbs serbest enerjisi, bir tepkimenin veya sürecin dışarıdan yardım olmadan kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini öngörmek için kimya ve fizikte kullanılan bir değerdir. ΔG olarak yazılır ve bir sistemin ısı içeriği ile düzensizliğini tek bir sayıda birleştirir.

Gibbs serbest enerjisi nedir?

Her kimyasal tepkime ya ısı açığa çıkarır ya da ısı soğurur; ayrıca düzensizliği artırır veya azaltır. Amerikalı bilim insanı Josiah Willard Gibbs'in adını taşıyan Gibbs serbest enerjisi, belirli bir sıcaklıkta bu iki etkiyi birbirine göre değerlendirir. Sonuç, kimyagerlere bir tepkimenin kendiliğinden olup olmadığını, yani başladıktan sonra kendi başına ilerleyip ilerleyemeyeceğini, yoksa kendiliğinden olmayan bir tepkime olup olmadığını, yani devam etmek için sürekli enerji girdisine ihtiyaç duyup duymadığını gösterir.

Gibbs serbest enerjisi, bir tepkimenin ne kadar hızlı gerçekleştiğini göstermez. Bir tepkime kendiliğinden gerçekleşebilir ve yine de yıllar sürebilir; çünkü hız, ΔG'ye değil, aktivasyon enerjisi adı verilen ayrı bir etkene bağlıdır.

Gibbs serbest enerjisi formülü

Gibbs serbest enerjisindeki değişim şu şekilde hesaplanır:

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

• ΔG — Gibbs serbest enerjisindeki değişim
• ΔH — entalpi değişimi; süreç sırasında açığa çıkan veya soğurulan ısı
• T — kelvin (K) cinsinden ölçülen mutlak sıcaklık
• ΔS — düzensizliğin ölçüsü olan entropi değişimi

Bu hesap makinesi ΔH için kJ/mol, T için kelvin ve ΔS için kJ/(mol·K) kullanır; böylece sonuç kJ/mol cinsinden elde edilir. Birçok ders kitabında entropi kilojul yerine joule cinsinden (J/(mol·K)) verilir. Bir ders kitabındaki değeri burada kullanmak için önce 1000'e bölün; örneğin 50 J/(mol·K), 0,050 kJ/(mol·K) olur.

Gibbs serbest enerjisi nasıl hesaplanır?

1. Sürecin kJ/mol cinsinden entalpi değişimini (ΔH) bulun veya ölçün. Negatif bir değer, sürecin ısı açığa çıkardığı; pozitif bir değer ise ısı soğurduğu anlamına gelir.
2. Sıcaklık zaten kelvin cinsinden değilse kelvine dönüştürün (K = °C + 273,15). Sıcaklık 0 K'den büyük olmalıdır.
3. kJ/(mol·K) cinsinden entropi değişimini (ΔS) bulun veya ölçün. Pozitif bir değer düzensizliğin arttığı; negatif bir değer ise azaldığı anlamına gelir.
4. T'yi ΔS ile çarpın, ardından elde edilen sonucu ΔH'den çıkarın. Sonuç, kJ/mol cinsinden ΔG'dir.

Çözümlü örnek

Hesap makinesindeki örnek değerleri ele alalım: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K ve ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

ΔG negatif olduğu için süreç 298 K'de kendiliğinden gerçekleşir.

ΔG işareti ne anlama gelir?

• ΔG < 0 — süreç kendiliğinden gerçekleşir. Sürekli bir dış enerji kaynağı olmadan meydana gelebilir.
• ΔG = 0 — sistem dengededir. Net bir değişim gerçekleşmez.
• ΔG > 0 — süreç kendiliğinden değildir. Belirtildiği şekilde ilerlemesi için enerji girdisi gerekir.

Bir tepkimenin kendiliğinden gerçekleşmeye başladığı sıcaklığı bulma

Sıcaklık formülde ΔS ile çarpıldığı için, pozitif ΔH ve pozitif ΔS değerlerine sahip bir tepkime sıcaklık arttıkça kendiliğinden olmayan durumdan kendiliğinden gerçekleşen duruma geçebilir. Bu geçiş, ΔG = 0 olduğu yerde gerçekleşir ve şu sonucu verir:

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

Örneğin ΔH = 15,0 kJ/mol ve ΔS = 0,050 kJ/(mol·K) ise tepkime T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K'de dengeye ulaşır. 300 K'nin altında tepkime kendiliğinden değildir; 300 K'nin üzerinde ise kendiliğinden gerçekleşir.

Standart Gibbs serbest enerjisi (ΔG°)

Standart Gibbs serbest enerjisi (ΔG°), tepkimeye giren maddeler ve ürünler standart hâllerindeyken, genellikle 1 atm basınçta ve çözünmüş maddeler için 1 M derişimde, çoğu zaman 298,15 K'de hesaplanan değerdir. Aynı formül kullanılır; standart entalpi ve entropi değerleriyle ΔG° = ΔH° − TΔS° şeklinde yazılır.

ΔG° ayrıca bir tepkimenin denge sabiti K ile ΔG° = −RT ln(K) bağıntısı üzerinden ilişkilidir; burada R gaz sabitidir ve değeri 8,31446261815324 J/(mol·K) olup çoğu zaman 8,314 olarak yuvarlanır. Standart hâlden farklı koşullar için tam bağıntı ΔG = ΔG° + RT ln(Q) şeklindedir; burada Q tepkime bölümüdür.

Gibbs serbest enerjisinin kullanım alanları

• Kimya: Bir tepkimenin ilerleyip ilerlemeyeceğini öngörmek ve istenen ürünü destekleyen koşulları seçmek.
• Biyokimya: Hücrelerin glikozun parçalanması gibi enerji açığa çıkaran tepkimeleri, proteinlerin oluşturulması gibi enerji gerektiren tepkimelerle nasıl eşleştirdiğini açıklamak.
• Malzeme bilimi: Bir malzemenin katı veya sıvı gibi hangi fazının belirli bir sıcaklıkta kararlı olduğunu öngörmek.
• Mühendislik: Metal arıtmadan yakıt hücrelerine kadar endüstriyel süreçleri elverişli enerji koşulları temelinde tasarlamak.

Gibbs serbest enerjisinin tarihi

Amerikalı bilim insanı Josiah Willard Gibbs (1839–1903), bu kavramı 1875 ile 1878 yılları arasında bölümler hâlinde yayımlanan "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" adlı makalesinde ortaya koydu. Bu çalışma, başlangıçta Amerika Birleşik Devletleri'nde fazla ilgi görmemiş olsa da kimyasal termodinamiğin temelini attı. Wilhelm Ostwald'ın çalışmayı Almancaya çevirmesinden sonra geniş çapta tanındı. Kimyagerler Gilbert N. Lewis ve Merle Randall, daha sonra bugün de kullanılan gösterimin standartlaştırılmasına, 1923 tarihli Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances kitaplarıyla katkıda bulundular.

Sık sorulan sorular

Basitçe Gibbs serbest enerjisi nedir? Bir kimyasal tepkimenin veya fiziksel değişimin kendi başına gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini gösteren bir sayıdır. Negatif değer gerçekleşebileceği, pozitif değer ise dışarıdan enerji gerektiği anlamına gelir.

Endotermik bir tepkime kendiliğinden gerçekleşebilir mi? Evet. Entropi yeterince artarsa ve sıcaklık TΔS'nin ΔH'den büyük olacağı kadar yüksekse, endotermik bir tepkime (ΔH > 0) yine de kendiliğinden gerçekleşebilir; bu durumda ΔG negatif olur.

ΔG ile ΔG° arasındaki fark nedir? ΔG, fiilen geçerli olan koşullar altındaki serbest enerji değişimidir. ΔG° ise genellikle 1 atm basınç, 1 M derişim ve çoğu zaman 298,15 K olan standart koşullar altındaki serbest enerji değişimidir.

Negatif ΔG, bir tepkimenin hızlı gerçekleştiği anlamına mı gelir? Hayır. ΔG, bir tepkimenin termodinamik açıdan elverişli olup olmadığını, ne kadar hızlı ilerlediğini değil, açıklar. Kendiliğinden gerçekleşen bir tepkime, aktivasyon enerjisi yüksekse yine de yavaş olabilir.

Bu hesap makinesi hangi birimleri kullanır? Entalpi için kJ/mol, sıcaklık için kelvin ve entropi için kJ/(mol·K) kullanılır. Bir kaynak entropiyi J/(mol·K) cinsinden veriyorsa, değeri girmeden önce 1000'e bölün.

Gibbs serbest enerjisi dengeyle nasıl ilişkilidir? Dengede ΔG sıfıra eşittir. Standart serbest enerji değişimi ΔG°, ΔG° = −RT ln(K) bağıntısıyla denge sabiti K'ye bağlanır.

Kaynaklar

1. Atkins, P. W. ve de Paula, J. (2014). Atkins'in Fizikokimyası (10. baskı). Oxford University Press.
2. Gibbs, J. W. (1878). Heterojen maddelerin dengesi. Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3, 108–248.
3. Lewis, G. N. ve Randall, M. (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill.
4. IUPAC. (2014). Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), Sürüm 2,3.3.