ギブスの自由エネルギーは熱力学的ポテンシャルであり、系が行う仕事量を計算するために使用されます。一定の温度と圧力。この最大量の作業は、完全に可逆的なプロセスでのみ実行できます。このエネルギーの変化は、プロセス中に放出された熱と同じプロセスで放出された熱の差です。このギブス自由エネルギー変化は、平衡に達するとゼロになります。自発的な反応が発生すると、このエネルギーは負になり、自発的でない場合、このエネルギーは正になります。
ギブスの自由エネルギーと平衡定数の関係
平衡状態では正反応と逆反応の割合が等しくなります。平衡状態にある反応物と生成物の自由エネルギーが等しい (ΔG=0) ため、各方向の駆動力は等しくなります。
平衡状態では、反応商は Q=Keq です。
両方の式から、平衡 ΔG に達した反応は
ΔG=ΔG° + RTlnQ
0=ΔG° + RTlnQ
ΔG° =-RTlnQ
この方程式を使用して、平衡定数から ΔG を求めたり、その逆を行ったりできます。 ΔG または Keq のいずれかを知ることは、反応物と生成物が平衡状態にあるかどうかを判断するのに役立ちます。
ギブズの自由エネルギーの問題に関する質問
平衡定数の値が与えられている場合、ギブスの自由エネルギー問題を解くことができます。
質問:
アンモニアの標準生成エネルギー (ΔGf) が -16.6 kJ/mol であるとします。次の反応の 25 ° C (298 K) での平衡定数の値を決定します。
N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g)
解決策:
ΔGf の値はわかっているので、与えられた式からΔG の値を計算できます。
ΔG°rxn =ΣnΔG°f (製品) – ΣnΔG°f(反応物)
また、窒素と水素の両方が元素状態にあるため、ΔGf はどちらもゼロです。 .
ΔG°rxn =ΣnΔG°f(製品) – ΣnΔG°f(反応物)
ΔG°rxn =2(-16.6 kJ/mol) – [(0 kJ/mol) + 3(0kJ/モル)]
ΔG°rxn =-33.2 kJ/mol
ΔG を解いた後、Keq ΔG° =– RT ln Keq を解く
ΔG∘=−RT ln Keq
ln Keq=−ΔG∘RT
Keq=e−ΔG∘RT
式に値を代入する前に、R=8.314 J/K mol を使用していることを思い出してください。
したがって、ΔG=-33.2 kJ/ mol を ΔG=-33,200 J/ に変換する必要があります。モル。
次に Keq を計算します
Keq=e−ΔG∘RT
Keq=e−33,200 J/mol (8.314 J/K⋅mol)(298 K)
Keq=e13.4
Keq=6.6×105
Keq は非常に大きく、製品が 25°C で非常に有利であることを示しています。
質問:
与えられた反応の平衡定数は、25°C で 16 X 10-12 です。
AgCl(s) ⇄ Ag+(aq) + Cl-(aq)
ΔG°を計算する
解決策:
ΔG° の式に与えられた値を代入します
ΔG∘=−RT ln Keq
ΔG∘=−(8.314 J/K⋅mol)(298 K) ln (1.6×10 −10)
ΔG∘=−55,884 J/mol
ΔG° が大きいため、生成物よりも反応物の形成に有利です。
セルのギブスの自由エネルギーと起電力
逆経路でガルバニ電池を介して電荷を渡すと、最大量の仕事が行われます.ガルバニ電池によって行われる可逆的な仕事の量は、反応におけるギブズ自由エネルギーの減少の原因です。
作業完了
W =nFE (セル)
こちら
W は完了した作業を表します
nF は渡された合計料金を表し、
E(セル) =セルの起電力
Δr G =−W
Δr G =−nFE(セル)
この式は、標準セルの電位を計算するために使用されます。
Δr G° =−nFE°(セル)
この反応は、反応のギブズ自由エネルギーを表し、広範な熱力学的特性であることが知られています。 nで。
ギブスの自由エネルギーと起電力の関係に関するギブスの自由エネルギー問題の質問
ギブスの自由エネルギー問題を解くことで、ギブスの自由エネルギー問題の意味を知ることができます。
質問:
特定のセルの 298 K でのセル反応の起電力と ΔG を決定します。
Mg(s) ∣ Mg2+ (0.01M) || Ag+(0.0001M) | Ag(s)
与えられた :[E°Mg2+ /Mg =−2.37V,
E°Ag+/Ag =+0.80V]
解決策:
アノードで:Mg → Mg2+ +2e
カソード:. [ Ag+ +e →Ag]×2
____________________________
Mg+ 2Ag+→Mg2++2Ag; n=2
E cell =E カソード -Eanode
=E Ag+ /Ag− E Mg 2+ /Mg
=0.80V-(-2.37V)=3.17V
上記の値をネルンストの式に代入
Ecell=E°cell – 0.059/ n log Mg2+/ [Ag+]2
わかりました
Ecell=3.17- 0.059/2 log 10-2/ (10-4)2
Ecell=3.17 – 0.0295 log 106
Ecell=3.17- 0.117 V =2.993 V
Ecell の値を以下の式に代入します
ΔG=-nFEcell
=2×96500C mol−1 ×2.993V
ΔG=−577649 Jmol−1
=−577.649 kJmol−1
結論
ギブスの自由エネルギーは、温度と圧力がシステムは一定です。この最大量の作業は、可逆プロセスに従う場合にのみ実行できます。ギブスの自由エネルギーの SI 単位はジュールです。この方程式とその解では、いくつかのギブスの自由エネルギー問題について言及しました。
