Υπολογισμός της αλλαγής στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs

Ο Αμερικανός επιστήμονας Josiah Willard Gibbs έδωσε στον Gibbs δωρεάν ενέργεια. Τα οφέλη των θερμοδυναμικών νόμων και των εξισώσεων ελεύθερης ενέργειας του Gibbs θα μειώσουν το πειραματικό κόστος και χρόνο. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs βασίζεται στον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, που σημαίνει «Σε ένα απομονωμένο σύστημα η εντροπία ενός συστήματος είναι πάντα αυξημένη εάν δεν υπάρχει πρόσθετη δύναμη». Ο υπολογισμός της μεταβολής στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η ενεργειακή αλλαγή μεταξύ προϊόντων και αντιδρώντων.

Εξίσωση ελεύθερης ενέργειας Gibbs 

Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ορίζεται ως η ενθαλπία του συστήματος μείον τα προϊόντα της θερμοκρασίας και της εντροπίας του συστήματος. Εδώ, η μονάδα SI για την ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι Joules. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs μπορεί να εξισορροπήσει τις πιθανές κινητήριες δυνάμεις των χημικών αντιδράσεων.

ΔG =ΔH – TΔS 

Πού,

ΔG – αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs

ΔH – αλλαγή στην Ενθαλπία

T – Θερμοκρασία

ΔS – αλλαγή στην Εντροπία

Εντροπία (S)

Η εντροπία ορίζεται ως μια θερμική ενέργεια ανά μονάδα θερμοκρασίας που δεν είναι διαθέσιμη στο σύστημα για να κάνει πολύτιμη εργασία. Η μονάδα SI για την εντροπία είναι Joule / Kelvin.

Ενθαλπία (Η)

Η ενθαλπία ορίζεται ως το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας και του όγκου του χρόνου πίεσης. Η μονάδα SI για την ενθαλπία είναι Joule.

H =U + PV

Εδώ, U – Εσωτερική ενέργεια, μονάδα SI για εσωτερική ενέργεια είναι Joule

P – Πίεση, η μονάδα SI για την πίεση είναι Pa

V – Ο όγκος, η μονάδα SI για τον όγκο είναι m3

Αλλαγή της δωρεάν ενέργειας Gibbs

Αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η αλλαγή στην ενέργεια μεταξύ των αντιδρώντων και των προϊόντων.

ΔGrxn =ΔG(προϊόντα) – ΔG(αντιδρώντα)

• Εάν το προϊόν είναι πιο σταθερό, το ΔGrxn είναι αρνητικό. Σημαίνει ότι η αντίδραση είναι εξεργολογική.
• Εάν το αντιδρών είναι πιο σταθερό, το ΔGrxn είναι θετικό. Σημαίνει ότι η αντίδραση είναι ενδρογόνος.

Μια σχέση μεταξύ της μεταβολής της τυπικής ελεύθερης ενέργειας και της σταθεράς ισορροπίας προκύπτει ως,

ΔGrxn =-2,303 RT logKeq (R=8,314 kj/ Kelvin/mol)

Αυθόρμητη διαδικασία

Εάν η αντίδραση συμβεί χωρίς πρόσθετη δύναμη, είναι γνωστή ως αυθόρμητη διαδικασία, η οποία μπορεί να είναι πιο αργή ή ταχύτερη. Ο αυθορμητισμός του συστήματος δεν εξαρτάται από την κινητική ή την αντίδραση.

Παράδειγμα:Διαμάντι άνθρακα που μετατρέπεται σε γραφίτη

Μη αυθόρμητη διαδικασία 

Εάν η αντίδραση συμβεί με οποιαδήποτε πρόσθετη δύναμη είναι γνωστή ως μη αυθόρμητη διαδικασία.

Παράδειγμα:Λιώσιμο του πάγου σε νερό.

Εξεργονική διαδικασία

Η εξεργονική αντίδραση είναι μια αντίδραση όπου η ενέργεια απελευθερώνεται χωρίς καμία πρόσθετη δύναμη. Εδώ, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια θα είναι αρνητική.

ΔG <0 Το "G" είναι Αρνητικό

Ενεργονική διεργασία 

Ενεργονική αντίδραση είναι μια αντίδραση όπου απελευθερώνεται ενέργεια με οποιαδήποτε πρόσθετη δύναμη. Εδώ, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια θα είναι θετική. Η ενεργονική διαδικασία θα ενεργήσει προς την αντίστροφη κατεύθυνση για να ληφθεί περισσότερο υλικό εκκίνησης.

ΔG> 0 Το "G" είναι Θετικό

Υπολογισμός της μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας Gibbs

• Για CO + H2O → CO2 + H2 (∆S =-135 J/K, ∆H =-41,2), βρείτε

1. i) ∆G =? ii) ∆G στους 305 Κ. Εξηγήστε ποια αντίδραση είναι αυθόρμητη;

Απάντηση:

i)∆G =∆H – T∆S

=-41,2 – (298 x(-135 x 10⁻3))

=– 97 KJ

Το ΔG είναι μικρότερο από 0, επομένως είναι αυθόρμητο.

1. ii) ∆G =∆H – T∆S

=-41,2 – (305 (-135 x 10-3))

=0

Όταν το ∆G είναι μικρότερο από 0 =η αντίδραση είναι αυθόρμητη

Όταν το ∆G είναι μεγαλύτερο από 0, η αντίστροφη αντίδραση είναι αυθόρμητη.

•  Υπολογισμός της σταθεράς ισορροπίας, K στα 298 K (∆G=33,4)

Απάντηση:

∆G=-RT Σε K

33,4 =– (8,314 x 10-3) 298 Σε K

Σε K =-13,5

K=1,4 x 10-6

• Υπολογίστε τη σταθερά ισορροπίας K στους 298 K

Για

2N2O +3O2 4NO2           ∆H =-31,6 kJ, ∆S =-98 J/K

Απάντηση:

∆G =T – ∆S

=-31,6 – (298 x -98 x 10-3)

=- 2,40 KJ 

Επομένως,

K,

∆G=– RT InK

-2,40 =-( (8,314 x 10-3 ) x 298 ) Σε K

K =2,64

•  Όταν το ATP μετατρέπεται σε ADP στους 293 K. να υπολογίσετε τη μεταβολή της ενέργειας; (∆H =19,07 Kcal, ∆S =90 cal/K)

Απάντηση: 

∆G =∆H – T∆S

=19,07 – ( 293 (90 x 10-3))

=– 7,3 Kcal

•  Υπολογίστε το ΔG μιας αντίδρασης στους 298,15 K

(ΔH=-128,3 kJ, ΔS =- 159,5 J K-1)

Απάντηση:ΔG =ΔH – TΔS

=-128- ( 298,15 x -159,5)

=-80,75 kJ

Συμπέρασμα

Η φόρμουλα ελεύθερης ενέργειας του Gibbs θα βοηθήσει στην εύρεση του αποτελέσματος των πειραμάτων πριν από την εκτέλεση της εργασίας, κάτι που θα επιτρέψει την εύρεση άλλων παραμέτρων όπως η Ενθαλπία (Δ H), η Εντροπία (Δ S) και η κατεύθυνση της διαδικασίας (Αυθόρμητη ή μη). Η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι η αλλαγή στην ενέργεια μεταξύ προϊόντων και αντιδρώντων. Εάν το προϊόν είναι σταθερό, η διαφορά στην ενέργεια θα είναι αρνητική- Exergonic. Εάν όχι, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια του Gibbs θα είναι θετική - Endergonic.