Máy Tính Năng Lượng Gibbs Tự Do - Dự Đoán Tính Tự Phát

Năng lượng tự do Gibbs là một đại lượng được dùng trong hóa học và vật lý để dự đoán một phản ứng hoặc quá trình có tự xảy ra hay không mà không cần tác động bên ngoài. Đại lượng này được ký hiệu là ΔG và kết hợp nhiệt lượng của một hệ với mức độ mất trật tự của hệ thành một giá trị duy nhất.

Năng lượng tự do Gibbs là gì?

Mọi phản ứng hóa học đều giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt, đồng thời làm tăng hoặc giảm mức độ mất trật tự. Năng lượng tự do Gibbs, được đặt theo tên nhà khoa học người Mỹ Josiah Willard Gibbs, cân nhắc hai tác động này so với nhau ở một nhiệt độ nhất định. Kết quả cho các nhà hóa học biết phản ứng là tự phát, nghĩa là có thể tự tiếp diễn sau khi bắt đầu, hay không tự phát, nghĩa là cần được cung cấp năng lượng liên tục để tiếp diễn.

Năng lượng tự do Gibbs không cho biết phản ứng diễn ra nhanh đến đâu. Một phản ứng có thể tự phát nhưng vẫn mất nhiều năm, vì tốc độ phụ thuộc vào một yếu tố riêng gọi là năng lượng hoạt hóa, không phụ thuộc vào ΔG.

Công thức tính năng lượng tự do Gibbs

Độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs được tính như sau:

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

• ΔG — độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs
• ΔH — độ biến thiên enthalpy, tức lượng nhiệt được giải phóng hoặc hấp thụ trong quá trình
• T — nhiệt độ tuyệt đối, đo bằng kelvin (K)
• ΔS — độ biến thiên entropy, một đại lượng đo mức độ mất trật tự

Máy tính này sử dụng kJ/mol cho ΔH, kelvin cho T và kJ/(mol·K) cho ΔS, nên kết quả có đơn vị kJ/mol. Nhiều giáo trình ghi entropy bằng joule thay vì kilojoule (J/(mol·K)). Để sử dụng giá trị trong giáo trình tại đây, trước tiên hãy chia giá trị đó cho 1000 — ví dụ, 50 J/(mol·K) trở thành 0,050 kJ/(mol·K).

Cách tính năng lượng tự do Gibbs

1. Tìm hoặc đo độ biến thiên enthalpy (ΔH) của quá trình, tính bằng kJ/mol. Giá trị âm nghĩa là quá trình giải phóng nhiệt; giá trị dương nghĩa là quá trình hấp thụ nhiệt.
2. Chuyển nhiệt độ sang kelvin nếu chưa ở đơn vị này (K = °C + 273,15). Nhiệt độ phải lớn hơn 0 K.
3. Tìm hoặc đo độ biến thiên entropy (ΔS), tính bằng kJ/(mol·K). Giá trị dương nghĩa là mức độ mất trật tự tăng; giá trị âm nghĩa là mức độ này giảm.
4. Nhân T với ΔS, sau đó lấy ΔH trừ đi kết quả đó. Đáp án là ΔG, tính bằng kJ/mol.

Ví dụ minh họa

Xét các giá trị mẫu của máy tính: ΔH = −100 kJ/mol, T = 298 K và ΔS = 0,05 kJ/(mol·K).

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

Vì ΔG âm, quá trình là tự phát ở 298 K.

Dấu của ΔG có ý nghĩa gì?

• ΔG < 0 — quá trình là tự phát. Quá trình có thể xảy ra mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài liên tục.
• ΔG = 0 — hệ ở trạng thái cân bằng. Không có biến thiên tổng thể nào tiếp diễn.
• ΔG > 0 — quá trình không tự phát. Quá trình cần được cung cấp năng lượng để diễn ra theo phương trình đã viết.

Tìm nhiệt độ tại đó một phản ứng trở nên tự phát

Vì nhiệt độ nhân với ΔS trong công thức, một phản ứng có ΔH dương và ΔS dương có thể chuyển từ không tự phát sang tự phát khi nhiệt độ tăng. Sự chuyển đổi xảy ra tại ΔG = 0, từ đó có:

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

Ví dụ, nếu ΔH = 15,0 kJ/mol và ΔS = 0,050 kJ/(mol·K), phản ứng đạt trạng thái cân bằng tại T = 15,0 ÷ 0,050 = 300 K. Dưới 300 K, phản ứng không tự phát; trên 300 K, phản ứng trở nên tự phát.

Năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn (ΔG°)

Năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn (ΔG°) là giá trị được tính khi chất phản ứng và sản phẩm ở trạng thái tiêu chuẩn, thường là áp suất 1 atm và, đối với các chất hòa tan, nồng độ 1 M, thường tại 298,15 K. Đại lượng này sử dụng cùng công thức, được viết là ΔG° = ΔH° − TΔS°, với các giá trị enthalpy và entropy tiêu chuẩn.

ΔG° cũng liên hệ với hằng số cân bằng K của phản ứng qua ΔG° = −RT ln(K), trong đó R là hằng số khí, 8,31446261815324 J/(mol·K), thường được làm tròn thành 8,314. Với các điều kiện khác trạng thái tiêu chuẩn, mối liên hệ đầy đủ là ΔG = ΔG° + RT ln(Q), trong đó Q là thương số phản ứng.

Năng lượng tự do Gibbs được sử dụng ở đâu

• Hóa học: dự đoán phản ứng có diễn ra hay không và lựa chọn các điều kiện thuận lợi cho sản phẩm mong muốn.
• Hóa sinh: giải thích cách tế bào ghép các phản ứng giải phóng năng lượng, chẳng hạn như phân giải glucose, với các phản ứng cần năng lượng, chẳng hạn như tổng hợp protein.
• Khoa học vật liệu: dự đoán pha nào của vật liệu, chẳng hạn như chất rắn hoặc chất lỏng, ổn định ở một nhiệt độ nhất định.
• Kỹ thuật: thiết kế các quy trình công nghiệp, từ tinh luyện kim loại đến pin nhiên liệu, dựa trên các điều kiện năng lượng thuận lợi.

Lịch sử của năng lượng tự do Gibbs

Josiah Willard Gibbs (1839–1903), một nhà khoa học người Mỹ, đã đưa ra khái niệm này trong công trình "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", được xuất bản thành nhiều phần trong khoảng từ 1875 đến 1878. Công trình này đặt nền móng cho nhiệt động hóa học, dù ban đầu nhận được ít sự chú ý ở Hoa Kỳ. Công trình được biết đến rộng rãi sau khi Wilhelm Ostwald dịch sang tiếng Đức. Các nhà hóa học Gilbert N. Lewis và Merle Randall sau đó đã góp phần chuẩn hóa ký hiệu vẫn được sử dụng ngày nay trong cuốn sách 1923 của họ, Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances.

Các câu hỏi thường gặp

Năng lượng tự do Gibbs là gì theo cách đơn giản? Đó là một giá trị cho biết một phản ứng hóa học hoặc biến đổi vật lý có thể tự xảy ra hay không. Giá trị âm nghĩa là có thể; giá trị dương nghĩa là cần năng lượng bên ngoài.

Phản ứng thu nhiệt có thể tự phát không? Có. Một phản ứng thu nhiệt (ΔH > 0) vẫn có thể tự phát nếu entropy tăng đủ lớn và nhiệt độ đủ cao để TΔS lớn hơn ΔH, khiến ΔG âm.

ΔG và ΔG° khác nhau như thế nào? ΔG là độ biến thiên năng lượng tự do trong bất kỳ điều kiện thực tế nào đang được áp dụng. ΔG° là độ biến thiên năng lượng tự do trong điều kiện tiêu chuẩn, thường là áp suất 1 atm, nồng độ 1 M và thường ở 298,15 K.

ΔG âm có nghĩa là phản ứng diễn ra nhanh không? Không. ΔG mô tả phản ứng có thuận lợi về mặt nhiệt động lực học hay không, chứ không cho biết phản ứng diễn ra nhanh đến mức nào. Một phản ứng tự phát vẫn có thể diễn ra chậm nếu có năng lượng hoạt hóa cao.

Máy tính này sử dụng những đơn vị nào? Enthalpy tính bằng kJ/mol, nhiệt độ tính bằng kelvin và entropy tính bằng kJ/(mol·K). Nếu nguồn ghi entropy bằng J/(mol·K), hãy chia giá trị đó cho 1000 trước khi nhập.

Năng lượng tự do Gibbs liên quan đến cân bằng như thế nào? Ở trạng thái cân bằng, ΔG bằng 0. Độ biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn ΔG° liên hệ với hằng số cân bằng K qua ΔG° = −RT ln(K).

Tài liệu tham khảo

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Hóa lý Atkins (lần xuất bản thứ 10). 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), Phiên bản 2,3.3.