Gibbsova energija in njena uporaba za opisovanje možnosti procesov

Koncept Gibbsove brezplačne energije je bil uveden v kemijo, da bi pojasnil možnost spontanega ali spontanega pojavljanja določene reakcije. Izračun te energije zahteva poznavanje spremembe v entropiji procesa in količino energije, ki se absorbira ali sprosti med izvajanjem.

Josiah Willard Gibbs

Svobodna energija, ki določa možnost različnih procesov, je označena z veliko črko G. Imenovana je bila Gibbova energija v čast ameriškega teoretika fizike Jozija Willarda Gibbsa iz 19. stoletja, ki je pomembno prispevala k razvoju moderne teorije termodinamike.

Zanimivo je, da je njegova prva teza, po zagovoru katere je Gibbs dobila naziv doktorja znanosti, pisal o obliki zob zobnikov. V tej študiji je uporabil geometrijske metode za razvoj idealne oblike teh zob. Znanstvenik je začel študirati termodinamiko šele v starosti 32 let, na tem področju fizike pa je dosegel velik uspeh.

Osnovni termodinamični koncepti

Standardna Gibbsova energija je energija v standardnih pogojih, to je pri sobni temperaturi (25 ° C) in atmosferskem tlaku (0,1 MPa).

Da bi razumeli osnovna načela termodinamike, moramo uvesti tudi pojme entropije in entalpije sistema.

Razume se, da entalpija pomeni notranjo energijo sistema, ki je pri danem tlaku in prostornini. Ta vrednost je označena z latinično črko H in je enaka U + PV, kjer je U - notranje energije sistemi, P - tlak, V - volumen sistema. t

Entropija sistema je fizikalna količina, ki označuje merilo nereda. Z drugimi besedami, entropija opisuje lokacijo delcev, ki sestavljajo ta sistem, kar pomeni, da označuje verjetnost obstoja vsakega stanja tega sistema. Običajno je označena z latinično črko S.

Entalpija je torej energetska lastnost, entropija pa je geometrijska. Upoštevajte, da za razumevanje in opisovanje nastalih termodinamičnih procesov absolutne vrednosti entropije in entalpije ne nosijo koristnih informacij, ampak so pomembne samo njihove spremembe, to je ΔH in ΔS.

Termodinamične trditve

Ta zakon pomaga razumeti, v katero smer lahko reakcija samovoljno nadaljuje, ali pa bo v ravnovesju. Naslednje trditve so bistvene za termodinamiko:

• Drugi zakon termodinamike pravi, da se proces v kateremkoli sistemu zgodi samovoljno, njegova entropija se mora povečati, to je ΔS> 0.
• Pri konstantni temperaturi in tlaku se sprememba Gibbsove energije v sistemu določi s formulo ΔG = ΔH - TΔS.
• Če je za kateri koli postopek ΔG <0, se nadaljuje spontano in se imenuje eksergoničen.
• Smer poljubnega poteka določene reakcije je lahko odvisna od temperature v sistemu.

Spontani procesi

V kemiji so naključni procesi tisti, ki se pojavijo brez zunanjega vnosa energije. Samovoljnost perkolacije nakazuje verjetnost takšne priložnosti in nikakor ni povezana s kinetiko procesa. Torej lahko hitro napreduje, torej ima eksplozivni značaj, lahko pa se nadaljuje zelo počasi v tisočih in milijonih letih.

Klasičen primer spontane reakcije je pretvorba ogljika v obliki diamanta v ogljikovo alotropno modifikacijo grafita. Takšna reakcija je tako počasna, da oseba v svojem življenju ne bo opazila nobenih sprememb v izvirnem diamantu, zato pravijo, da so diamanti večni, čeprav, če počakate dovolj časa, lahko vidite, kako briljanten kamen postane črna grafit iz saj.

Sprostitev in absorpcija energije

Drug pomemben vidik samovoljno potekajočih procesov je sprostitev ali absorpcija toplote, v prvem primeru govorimo o eksotermičnem procesu, v drugem primeru endotermnem postopku, to je znak spremembe entalpije ΔH. Upoštevajte, da se lahko tako eksotermni kot endotermni procesi izvajajo samovoljno.

Glavni primer naključnega procesa je vžig mešanice goriva v jeklenki motorja z notranjim zgorevanjem. V tej reakciji se sprosti velika količina toplotne energije, ki se pretvori z izkoristkom okoli 30% mehanska energija sila vrtenja ročične gredi. Slednji prenaša navor skozi prenos na kolesa avtomobila in se premika.

Primer endotermne reakcije, ki poteka neodvisno s absorpcijo toplote, je raztapljanje navadnega natrijevega klorida v vodi. V tej reakciji je ΔH = +3,87 kJ / mol> 0. To dejstvo je mogoče preveriti z merjenjem temperature vode, preden se sol raztopi v njej in potem, ko se raztopi. Dobljena razlika med končno temperaturo in začetno temperaturo bo negativna.

Gibbsov energetski proces

Če se kateri koli proces odvija v sistemu s konstantnim tlakom in temperaturo, se lahko drugi zakon termodinamike spremeni na naslednji način: G = H - TS. Vrednost proste energije G - Gibbs ima dimenzijo kJ / mol. Določitev spontanosti določene reakcije je odvisna od znaka spremembe te količine, to je ΔG. Posledično ima drugi zakon termodinamike obliko: ΔG = ΔH −TΔS. Možni so naslednji primeri:

• ΔG <0 - reakcija se imenuje eksergonska in se naključno pojavi v smeri naprej s tvorbo produktov;
• ΔG> 0 - endergonična reakcija, ki se ne more poljubno pojaviti v smeri naprej, vendar bo neodvisno šla v nasprotno smer s povečanjem števila reagentov;
• ΔG = 0 - sistem je v ravnotežju, koncentracije reaktantov in produktov pa ostanejo nespremenjene poljubno dolgo.

Analiza nastale enačbe

Uvedeni izraz za drugi zakon termodinamike nam omogoča, da določimo, v katerem primeru lahko proces poteka samovoljno. V ta namen je treba analizirati tri količine: spremembo entalpije ΔH, spremembo entropije ΔS in temperaturo T. Upoštevajte, da je temperatura izražena v absolutnih enotah v skladu z mednarodnim sistemom uteži in mer, to je v kelvinih, zato je vedno pozitivna vrednost.

Smer reakcije ni odvisna od temperature, če:

• Reakcija je eksotermna (ΔH <0) in njena entropija narašča (ΔS> 0). V tem primeru postopek poteka samovoljno v smeri naprej;
• Endotermična reakcija (ΔH> 0) in sprememba njene entropije sta negativna (ΔS <0). Proces nikoli ne bo šel spontano v smeri naprej.

Če se znaki sprememb v vrednostih ΔH in ΔS ujemajo, potem temperatura igra pomembno vlogo pri možnosti takega postopka. Tako bo eksotermna reakcija potekala samovoljno pri nizkih temperaturah in eksotermna reakcija pri visokih temperaturah.

Izračun taljenja ledu

Dober primer reakcije, pri kateri je znak energije Gibbsa odvisen od temperature, je taljenje ledu. Za ta proces je ΔH = 6,01 kJ / mol, to je, da je reakcija endotermna, ΔS = 22,0 J / mol * K, to pomeni, da se proces zgodi s povečanjem entropije.

Za taljenje ledu izračunamo temperaturo, pri kateri bo sprememba Gibbsove energije enaka nič, to pomeni, da bo sistem v ravnotežnem stanju. Of drugi zakon termodinamike dobimo: T = ΔH / ΔS, ki nadomesti vrednosti teh količin, izračunamo T = 6.01 / 0.022 = 273.18 K.

Če pretvorimo temperaturo iz Kelvina v običajne stopnje Celzija, dobimo 0 ° C. To pomeni, da pri temperaturi nad to vrednostjo ΔG <0 in taljenju ledu spontano, pri temperaturi pod 0 ° C ΔG> 0, pride do poljubnega obratnega procesa, to je kristalizacije tekoče vode.