アメリカの科学者ジョサイア・ウィラード・ギブスは、ギブスに自由エネルギーを与えました。熱力学の法則とギブスの自由エネルギー方程式の利点により、実験のコストと時間が削減されます。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、追加の力がない場合、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。ギブズ自由エネルギーの変化を計算すると、生成物と反応物間のエネルギー変化になります。
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.
ΔG =ΔH – TΔS
どこで、
ΔG – ギブスの自由エネルギーの変化
ΔH – エンタルピーの変化
T – 温度
ΔS – エントロピーの変化
エントロピー (S)
エントロピーは、システム内で貴重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 – 内部エネルギー、内部エネルギーの SI 単位はジュールです
P – 圧力、圧力の SI 単位は Pa です
V – ボリューム、ボリュームの SI 単位は m3 です
ギブスの自由エネルギーの変化
ギブズ自由エネルギーの変化は、反応物と生成物の間のエネルギーの変化です。
ΔGrxn =ΔG(製品) – ΔG(反応物)
- 製品がより安定している場合、ΔGrxn は負になります。これは、反応が発エルゴン的であることを意味します。
- 反応物がより安定している場合、ΔGrxn は正です。反応が吸エルゴン的であることを意味します。
標準自由エネルギーの変化と平衡定数の関係は、
ΔGrxn =-2.303 RT logKeq (R=8.314 kj/ケルビン/モル)
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
非自発的なプロセス
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。
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放出される反応です。ここで、自由エネルギーの変化は負になります。
ΔG <0 「G」は負です
エンダーゴニック プロセス
吸エルゴン反応は、追加の力でエネルギーが放出される反応です。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」は正です
ギブス自由エネルギーの変化の計算
- CO + H₂O → CO₂ + H₂ (ΔS =-135 J/K、ΔH =-41.2) を求める
答え:
i) ΔG =ΔH – TΔS
=-41.2 – (298 x(-135 x 10⁻3))
=– 97 KJ
ΔG は 0 未満なので、自発的です。
<オール>=-41.2 – (305 (-135 x 10-3))
=0
ΔG が 0 未満の場合 =反応は自発的です
ΔG が 0 より大きい場合、逆反応は自発的です。
- 298 K での平衡定数 K (ΔG=33.4) を計算します
答え:
ΔG=-RT In K
33.4 =– (8.314 x 10-3) 298 イン K
K =-13.5
K=1.4×10-6
- 298 K における平衡定数 K を計算
のために
2N2O +3O2 4NO2 ΔH =-31.6 kJ、ΔS =-98 J/K
答え:
ΔG =T – ΔS
=-31.6 – (298 x -98 x 10-3)
=- 2.40 キロジュール
したがって、
K、
ΔG=– RT インク
-2.40 =-( (8.314 x 10-3 ) x 298 ) K
でK =2.64
- 293 K で ATP が ADP に変換されるとき、エネルギーの変化を計算しますか? (ΔH =19.07 Kcal、ΔS =90 カロリー/K)
答え:
ΔG =ΔH – TΔS
=19.07 – ( 293 (90 x 10-3))
=– 7.3 キロカロリー
- 298.15 K での反応の ΔG を計算
(ΔH=-128.3 kJ、ΔS =- 159.5 J K-1)
答え:ΔG =ΔH – TΔS
=-128- (298.15 x -159.5)
=-80.75 kJ
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)、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。ギブズ自由エネルギーの変化は、生成物と反応物の間のエネルギーの変化です。製品が安定している場合、エネルギーの差は負の発エルゴンになります。そうでない場合、ギブスの自由エネルギーの変化は正のエンダーゴニックになります。
