Gibbsova energija i njezina uporaba za opisivanje mogućnosti procesa

Pojam Gibbsove slobodne energije uveden je u kemiju kako bi se objasnila mogućnost spontane ili spontane pojave određene reakcije. Izračun ove energije zahtijeva znanje o promjeni entropije procesa i količini energije koja se apsorbira ili oslobađa tijekom njezine provedbe.

Josiah Willard Gibbs

Slobodna energija, koja određuje mogućnost različitih procesa, označena je velikim slovom G. Nazvana je Gibbsova energija u čast američkog teoretičara fizike Josiah Willarda Gibbsa iz 19. stoljeća, koji je dao veliki doprinos razvoju moderne teorije termodinamike.

Zanimljivo je napomenuti da je njegova prva teza, nakon obrane koju je Gibbs dobila titulu doktora znanosti, pisao o obliku zubaca zupčanika. U ovoj je studiji koristio geometrijske metode kako bi razvio idealan oblik tih zuba. Znanstvenik je počeo proučavati termodinamiku tek u dobi od 32 godine, au tom području fizike postigao je veliki uspjeh.

Osnovni termodinamički koncepti

Standardna Gibbsova energija je energija u standardnim uvjetima, tj. Na sobnoj temperaturi (25 ºC) i atmosferskom tlaku (0,1 MPa).

Da bi se razumjela osnovna načela termodinamike, potrebno je uvesti i pojmove entropije i entalpije sustava.

Pod entalpijom se podrazumijeva unutarnja energija sustava koji je pri danom tlaku i volumenu. Ova vrijednost je označena s latinskim slovom H i jednaka je U + PV, gdje je U - unutarnja energija sustavi, P - tlak, V - volumen sustava.

Entropija sustava je fizička veličina koja karakterizira mjeru nereda. Drugim riječima, entropija opisuje mjesto čestica koje čine ovaj sustav, to jest karakterizira vjerojatnost postojanja svakog stanja ovog sustava. Obično je označena latiničnim slovom S.

Dakle, entalpija je energetska karakteristika, a entropija je geometrijska. Imajte na umu da apsolutne vrijednosti entropije i entalpije za razumijevanje i opisivanje termodinamičkih procesa koji se javljaju ne nose korisne informacije, već su važne samo veličine njihovih promjena, tj. ΔH i ΔS.

Termodinamske tvrdnje

Ovaj zakon pomaže razumjeti u kojem smjeru se može proizvoljno nastaviti reakcija, ili će biti u ravnoteži. Sljedeće tvrdnje su temeljne za termodinamiku:

• Drugi zakon termodinamike kaže da se proces u bilo kojem sustavu odvija proizvoljno, njegova entropija se mora povećati, tj. ΔS> 0.
• Pri konstantnoj temperaturi i tlaku promjena Gibbsove energije sustava određena je formulom ΔG = ΔH - TΔS.
• Ako za bilo koji proces ΔG <0, onda se nastavlja spontano i naziva se egzergonskim.
• Smjer proizvoljnog toka određene reakcije može ovisiti o temperaturi u sustavu.

Spontani procesi

U kemiji, slučajni procesi su oni koji se pojavljuju bez vanjskog unosa energije u njih. Sama proizvoljnost perkolacije ukazuje na vjerojatnost takve prilike i ni na koji način nije povezana s kinetikom procesa. Dakle, može se odvijati brzo, tj. Imati eksplozivni karakter, ali može se odvijati vrlo sporo tijekom tisuća i milijuna godina.

Klasičan primjer spontane reakcije je konverzija ugljika u obliku dijamanta u ugljik alotropnu modifikaciju grafita. Takva reakcija je toliko spora da tijekom svog života osoba neće primijetiti nikakve promjene u izvornom dijamantu, pa kažu da su dijamanti vječni, iako ako čekate dovoljno vremena, možete vidjeti kako briljantni kamen postaje crn grafit čađe.

Otpuštanje energije i apsorpcija

Drugi važan aspekt proizvoljnih postupaka je oslobađanje ili apsorpcija topline, u prvom slučaju egzotermni proces, u drugom slučaju endotermni proces, tj. Znak promjene entalpije ΔH. Napominjemo da se egzotermni i endotermni procesi mogu izvoditi proizvoljno.

Glavni primjer slučajnog procesa je paljenje smjese goriva u cilindru motora s unutarnjim izgaranjem. U ovoj reakciji se oslobađa velika količina toplinske energije, koja se pretvara s učinkovitošću od oko 30% mehanička energija prisiljavajući radilicu na okretanje. Potonji prenosi okretni moment preko prijenosa na kotače automobila, a automobil se pomiče.

Primjer endotermne reakcije koja se odvija neovisno o apsorpciji topline je otapanje običnog natrijevog klorida u vodi. U ovoj reakciji ΔH = +3.87 kJ / mol> 0. Ova činjenica može se provjeriti mjerenjem temperature vode prije nego što se sol otopi u njoj i nakon što se otopi. Dobivena razlika između konačne temperature i početne temperature bit će negativna.

Gibbsov energetski proces

Ako se bilo koji proces odvija u sustavu s konstantnim tlakom i temperaturom, tada se drugi zakon termodinamike može prepisati na sljedeći način: G = H - TS. Vrijednost G - Gibbsove slobodne energije ima dimenziju kJ / mol. Određivanje spontanosti određene reakcije ovisi o predznaku promjene te količine, tj. ΔG. Kao rezultat toga, drugi zakon termodinamike poprima oblik: ΔG = ΔH −TΔS. Mogući su sljedeći slučajevi:

• ΔG <0 - reakcija se naziva egzergonskom i nasumce se javlja u smjeru prema naprijed s oblikovanjem proizvoda;
• ΔG> 0 - endergonska reakcija, koja se ne može proizvoljno pojaviti u pravcu prema naprijed, već će samostalno ići u suprotnom smjeru s povećanjem broja reagensa;
• ΔG = 0 - sustav je u ravnoteži, a koncentracije reaktanata i produkata ostaju konstantne tijekom proizvoljno dugog vremena.

Analiza dobivene jednadžbe

Uvedeni izraz za drugi zakon termodinamike omogućuje nam da odredimo u kojem slučaju se proces može odvijati proizvoljno. Da bi se to postiglo, potrebno je analizirati tri veličine: promjenu entalpije ΔH, promjenu entropije ΔS i temperaturu T. Uzmite u obzir da je temperatura izražena u apsolutnim jedinicama prema međunarodnom sustavu težina i mjera, tj. U kelvinima, stoga je uvijek pozitivna vrijednost.

Smjer reakcije ne ovisi o temperaturi ako:

• Reakcija je egzotermna (ΔH <0) i njezina se entropija povećava (ΔS> 0). U tom slučaju, proces ide proizvoljno u smjeru prema naprijed;
• Endotermička reakcija (ΔH> 0) i promjena njene entropije su negativne (ΔS <0). Proces nikada neće spontano ići sprijeda.

Ako se znakovi promjena u vrijednostima ΔH i ΔS podudaraju, tada temperatura već igra važnu ulogu u mogućnosti takvog procesa. Tako će se egzotermna reakcija odvijati proizvoljno na niskim temperaturama i egzotermna reakcija na visokim temperaturama.

Proračun taljenja leda

Dobar primjer reakcije u kojoj znak Gibbsove energije ovisi o temperaturi je topljenje leda. Za taj proces ΔH = 6.01 kJ / mol, tj. Reakcija je endotermna, ΔS = 22.0 J / mol * K, tj. Proces se događa s povećanjem entropije.

Za taljenje leda izračunavamo temperaturu na kojoj će promjena Gibbsove energije biti nula, tj. Sustav će biti u stanju ravnoteže. od drugi zakon termodinamike dobijamo: T = ΔH / ΔS, zamjenjujući vrijednosti tih veličina, izračunamo T = 6.01 / 0.022 = 273.18 K.

Ako pretvorimo temperaturu iz Kelvina u uobičajene stupnjeve Celzija, dobijemo 0 ° C. To jest, na temperaturi iznad te, vrijednost ΔG <0, i taljenje leda spontano, na temperaturi ispod 0 ° C ΔG> 0, i obrnuti proces će se pojaviti proizvoljno, to jest, kristalizacija tekuće vode.