アメリカの科学者ジョサイア・ウィラード・ギブスは、1870 年代にギブスの自由エネルギー方程式を発明しました。彼は、エネルギーはシステム内の「利用可能なエネルギー」であると述べました。熱力学の法則とギブの自由エネルギー方程式の利点は、実験のコストと時間を削減できることです。
ギブスの自由エネルギーは熱力学的第二法則に基づいています。これは、「孤立したシステムでは、追加の力がなければ、システムのエントロピーは常に増加する」ことを意味します。たとえば、熱い金属と冷たい金属を一緒に保つと、熱は熱い金属から冷たい金属にしか伝わりません。
ギブスの自由エネルギー方程式
ギブスの自由エネルギーは、系のエンタルピーから温度と系のエントロピーの積を差し引いたものとして定義されます。ここで、ギブスの自由エネルギーの SI 単位はジュールです。ギブスの自由エネルギーは、化学反応の潜在的な推進力のバランスをとることができます.
G =H-TS ここで、
G – ギブスの自由エネルギー
H – エンタルピー
T – 温度
S – エントロピー
エントロピー (S):
エントロピーは、システム内で有用な作業を行うために利用できない単位温度あたりの熱エネルギーとして定義されます。エントロピーの SI 単位はジュール/ケルビンです。
エンタルピー (H):
エンタルピーは、内部エネルギーと圧力時間の体積の合計として定義されます。エンタルピーの SI 単位はジュールです。
H =U + PV。
ここで、「U」は内部エネルギーで、内部エネルギーの SI 単位はジュールです。
「P」は圧力で、圧力の SI 単位はパスカルです。 「V」はボリューム、ボリュームの SI 単位は M3 です
ギブズの自由エネルギーの変化が起こると、エンタルピーとエントロピーも変化します。したがって、次のように表すことができます:Δ G =Δ H – Δ (TS)
反応が一定の温度で発生した場合、式は次のように表すことができます。
ΔG =ΔH – TΔS
Δ G =G (最終) – G (初期)
プロセスが自発的に発生した場合、ギブス自由エネルギーの変化は「負」になります (ΔG)
以下はギブの自由エネルギー方程式の例です
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自発的なプロセス:
反応が追加の力なしで発生する場合、それは自発的なプロセスとして知られており、遅くなったり速くなったりする可能性があります。システムの自発性は運動や反応に依存しません。
例:カーボン ダイヤモンドがグラファイトに変わる
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非自発的プロセス:
反応が追加の力で発生する場合は、非自発的プロセスとして知られています。
例:氷を水に溶かす。
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発エルゴン過程:
発エルゴン反応は、追加の力なしでエネルギーが解放される反応として定義されます。ここでは、自由エネルギーの変化は負になります。したがって、ΔG <0 (「G」は負)。
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エンダーゴニック プロセス:
吸エルゴン反応は、エネルギーが追加の力で放出される反応として定義されます。ここで、自由エネルギーの変化は正になります。エンエルゴニック プロセスは逆方向に作用して、より多くの出発物質を取得します。
ΔG> 0 (「G」は正)
| ΔH <0 | ΔH> 0 | |
| ΔS> 0 | ΔG <0 | TΔS は高 T で高自発性です |
| ΔS <0 | TΔS は小さい - 低 T で自然発生 | ΔG> 0 |
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任意の反応手段で ΔG が負の場合、ΔH は負になり、ΔS は正になります。これは自発的なプロセスになります。
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ΔG がいずれかの反応手段に対して正である場合、ΔH は正であり、ΔS は負であり、これは非自発的プロセスになります。
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ΔG は化学平衡で一定です。
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ΔG は、電気化学のセル電圧に依存します。
ギブスの自由エネルギー方程式の計算例:
問題:
次の反応のギブズ自由エネルギー (G) を計算し、反応が自発的に起こるかどうかを確認しますか?反応のエントロピー (ΔS) は -284.8 J/K、反応のエンタルピー (ΔH) は室温 250 C で -176 KJ です。
NH3 + HCl NH4Cl
解決策:
与えられたデータ
エントロピー、ΔS =– 284.8 J/K
エンタルピー、ΔH =– 176 KJ
温度 T =250 C
ギブスのエネルギー式、ΔG =ΔH – TΔS
ΔS =– 284.8 J/K × ( 1 KJ1000 J )
エントロピー、ΔS =– 0.2848 KJ/K
T =250 C + 273.15 K
温度 =298 K
ギブスの自由エネルギー、ΔG =ΔH – TΔS
=-176 KJ – (298 K) (-0.2848 KJ/K)
=-176 KJ – ( -84.9 KJ)
ギブスの自由エネルギー、ΔG =– 91.1 KJ
ギブスの自由エネルギー (ΔG) は負であるため、これは室温 250 C での自発的なプロセスです。
結論
Gibbs の自由エネルギー式は、作業を行う前に実験の結果を見つけるのに役立ちます。これにより、エンタルピー (Δ H)、エントロピー (Δ S)、およびプロセス方向 (自発的または非自発的) などの他のパラメーターを見つけることができます。ギブスの自由エネルギーは、系のエンタルピーから温度と系のエントロピーの積を差し引いたものとして定義されます。
