ギブスの自由エネルギーは、一定の圧力と温度の下で熱力学系が行う最大仕事を定義します。 「G」はギブスの自由エネルギーを表すために使用され、ジュールまたはキロジュールで表されます。このエネルギーは、システムで作業を実行するために使用できる、システムに存在するエネルギーの量として解釈することもできます。セルのギブズ自由エネルギーと EMF に関するこれらのメモは、このトピックについて知る必要があるすべてを提供します。
ギブスの自由エネルギーとは?
ギブスの自由エネルギーは、熱力学でシステムが行う最大仕事を計算するために使用される熱力学的ポテンシャルです。したがって、熱力学の第 2 法則は、温度と圧力の標準的な条件下では、最小のギブズ自由エネルギーを達成する自然な傾向があると述べています。
したがって、温度が一定に保たれている場合、ギブスの自由エネルギー G の変化は、エンタルピー H とエントロピー S の変化に等しいと言えます。
ΔG =ΔH – TΔS
ここで、Δ G =ギブスの自由エネルギーの変化
Δ H =エンタルピーの変化
T=ケルビン温度
ΔS=エントロピーの変化
G<0 の場合、反応は自発的です。
G> 0 の場合、反応は非自発的です。
G=0 の場合、反応は平衡状態にある傾向があります。
ギブスの自由エネルギーの変化の計算
ギブスの自由エネルギーは温度依存性ですが、反応には相変化がないため、H と S は温度に依存しないものとします。したがって、H と S が分かれば G を計算できます。
G の計算方法は次のとおりです。
結合エンタルピーを使用して H の反応を推定することにより、.
標準生成熱を使用して H を計算します。
標準値を使用して H と S を計算します。
自由エネルギーと平衡定数
ΔS と ΔH は ΔG の大きさを計算するために使用され、平衡定数 K は平衡状態での生成物と反応物の濃度の比率です。したがって、ΔG を K で表すことができ、その逆も可能であると言えます。
ΔG と Q の方程式で与えられた項を組み合わせる
ΔG=ΔG° + RTlnQ ………. (1)
ここで、ΔG° は、反応物と生成物がすべて標準値であることを示しています。平衡状態にあるシステム (K=Q) では、ΔG=0 です。したがって、ΔG と K の関係は
0 =ΔG° + RTlnQ ………. (2)
ΔG° =– RTlnQ…………….(3)
式 1 と 3 を組み合わせると、
ΔG =RT ln Q/K
生成物の標準状態 ΔG =0 および K> 1 では、生成物は平衡状態で反応物上に形成されます。
これとは逆に、ΔG =0 かつ K<1 の場合、生成物の上に反応物が形成されます。
しかし、ΔG =0 かつ K =1 の場合、化学反応では生成物も反応物も優先されません。
熱力学第二法則
この法則は、自発性とエントロピーの考え方に基づいています。所定の基準で定義できます:
法則によれば、熱力学におけるすべての自発的過程は元に戻すことができません。
また、熱が仕事に変換されるとき、エネルギーを無駄にしないということはありえないとも述べています。
宇宙全体のエントロピーは増え続けています。
システムの総エントロピー変化が正であることも定義します。
自発的な反応はシステム上で行う外部作業を必要としませんが、非自発的な反応は一定のエネルギー供給を必要とします。
細胞のEMFとは?
セルまたは EMF の起電力は、セルの 2 つの電極間の最大電位差です。また、酸化と還元の半反応間の最大電圧として解釈することもできます。 EMF は、セルが電気化学セルかガルバニ電池かを知るために使用されます。
セルの起電力 =Eox + E red
=陰極 + 陽極
化学反応が平衡に達すると、セルの起電力はゼロになります。
セルのギブズ自由エネルギーと EMF の関係
ガルバニ電池では、ギブスの自由エネルギーは電池の起電力に関係しています。
G =-nFE(セル)
n =いいえ。関与する電子のモル数
F=ファラデー定数
=1 ファラデー
=96500 クーロン
E=セルの Emf
反応物と生成物が標準状態で提供される場合、
G =-nFEcell
逆反応で電荷がガルバニ電池を流れるとき、最大量の仕事がガルバニ電池によって行われます。細胞によって行われるこの可逆的な仕事の量は、ギブスの自由エネルギーの減少をもたらします。
Δr G =-nFEcell
この式を使用して、標準セルの電位を計算できます。すべての重要な反応種の濃度は同じで、E (セル) =E°(セル) です。
結論
ギブスの自由エネルギーは、一定の圧力と濃度の下で熱力学系が行う最大の仕事です。この記事では、主にセルのギブス自由エネルギーと EMF の関係について説明します。この研究資料で説明されているセルの例のギブスの自由エネルギーと起電力の関係を分析することで、トピックをよりよく理解できます。
