17.9:

17.9: Änderungen der freien Energie für Nicht-Standard-Zustände

Free Energy Changes for Nonstandard States

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Free Energy Changes for Nonstandard States

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

17.8: Calculating Standard Free Energy Changes

17.10: Free Energy and Equilibrium

10,720 Views

•

03:25 min

•

September 24, 2020

Overview

Die Änderung der freien Energie für einen Prozess, der mit Reaktanten und Produkten stattfindet, die unter nicht standardmäßigen Bedingungen (andere Drücke als 1 bar, andere Konzentrationen als 1 M) vorliegen, bezieht sich auf die standardmäßige Änderung der freien Energie gemäß dieser Gleichung:

wobei R die Gaskonstante (8,314 J/K·mol), T die absolute Temperatur in Kelvin und Q der Reaktionsquotient ist. Diese Gleichung kann verwendet werden, um die Spontaneität eines Prozesses unter bestimmten Bedingungen vorherzusagen.

Reaktionsquotient (Q)

Der Status einer reversiblen Reaktion wird bequem durch die Bewertung ihres Reaktionsquotienten Q bewertet. Für eine reversible Reaktion, die durch

Der Reaktionsquotient wird direkt aus der Stöchiometrie der bilanzierten Gleichung abgeleitet als

wobei der Index c die Verwendung von molaren Konzentrationen im Ausdruck bezeichnet. Der konzentrationsbasierte Reaktionsquotient Q_c wird für Kondensphasengleichgewichte verwendet. Handelt es sich bei den Reaktanten und Produkten um gasförmige Produkte, kann ein Reaktionsquotient in ähnlicher Weise unter Verwendung von Partialdrücken abgeleitet werden:

Unter Standardbedingungen betragen die Konzentrationen des Reaktanten und der Produktlösung 1 M oder der Druck der Gase 1 bar und Q ist gleich 1. Daher ist unter Standardbedingungen

Unter nicht standardmäßigen Bedingungen muss Q berechnet werden.

Der numerische Wert von Q variiert, wenn eine Reaktion in Richtung Gleichgewicht fortschreitet; daher kann er als nützlicher Indikator für den Status der Reaktion dienen. Um diesen Punkt zu veranschaulichen, betrachten wir die Oxidation von Schwefeldioxid:

Betrachten Sie zwei verschiedene experimentelle Szenarien, eines, in dem diese Reaktion nur mit einem Gemisch von Reaktanten, SO₂ und_O2, eingeleitet wird, und ein anderes, das nur mit dem Produkt, SO₃, beginnt. Für die Reaktion, die nur mit einem Gemisch von Reaktanten beginnt, ist Q zunächst gleich Null:

Wenn die Reaktion in Vorwärtsrichtung auf ein Gleichgewicht zusteuert, nehmen die Reaktantenkonzentrationen ab (wie auch der Nenner von Q_c), die Produktkonzentration nimmt zu (ebenso wie der Zähler von Q_c) und der Reaktionsquotient nimmt folglich zu. Wenn ein Gleichgewicht erreicht ist, bleiben die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte konstant, ebenso wie der Wert von Q_c.

Wenn die Reaktion beginnt, wenn nur das Produkt vorhanden ist, ist der Wert von Qc zunächst undefiniert (unermesslich groß oder unendlich):

In diesem Fall verläuft die Reaktion in umgekehrter Richtung in Richtung Gleichgewicht. Die Produktkonzentration und der Zähler von Q_c nehmen mit der Zeit ab, die Reaktantenkonzentrationen und der Nenner von Q_c nehmen zu, und der Reaktionsquotient nimmt folglich ab, bis er im Gleichgewicht konstant wird.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 16.4: Freie Energie und Openstax, Chemie 2e, Kapitel 13.2: Gleichgewichtskonstanten.

Transcript

Die standardmäßige Änderung der freien Energie für eine Reaktion kann nur bestimmt werden, wenn sie unter Standardzustandsbedingungen stattfindet – wenn sich sowohl die Reaktanten als auch die Produkte in ihrem Standardzustand befinden. Die meisten chemischen Reaktionen finden unter diesen Bedingungen jedoch nicht statt.

Unter allen Bedingungen – ob Standard oder Nichtstandard – wird die relative Menge der in einer Reaktion vorhandenen Produkte und Reaktanten durch den Reaktionsquotienten Q beschrieben.

Für Reaktionen, die in Lösung stattfinden, wird Q aus dem Verhältnis der Produkt- und der Reaktantenkonzentration berechnet, wobei jede Reagenzkonzentration hoch ihrem stöchiometrischen Koeffizienten zuwendet. Bei gasförmigen Reaktionen können anstelle von Konzentrationen die Partialdrücke der Gase verwendet werden.

Die Änderung der freien Energie einer Reaktion ist gleich der Summe der Änderung der freien Energie im Normalzustand für die Reaktion, Delta G null und RT multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von Q. Hier ist R die universelle Gaskonstante in Joule pro Mol-Kelvin und T die Temperatur der Reaktion in Kelvin.

Bei konstanter Temperatur hat die freie Energie im Normalzustand einen festen Wert, aber Q variiert, da sie von der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches abhängt.

Betrachten wir die Synthese von Ammoniakgas aus Stickstoff und Wasserstoff bei 298 K. Unter Standardbedingungen, die für ein Gas das reine Gas bei 1 atm sind, sind die Partialdrücke aller Komponenten gleich 1 atm, und die Größe des Reaktionsquotienten ist gleich 1.

Somit ist die Änderung der freien Energie der Reaktion gleich der standardmäßigen Änderung der freien Energie der Reaktion, -32,8 kJ/mol, und die Vorwärtsreaktion ist spontan.

Unter nicht standardmäßigen Bedingungen können die Bestandteile des Reaktionsgemisches zunächst Partialdrücke von 1,2 Atmosphären für Stickstoff, 3,6 Atmosphären für Wasserstoff und 0,60 Atmosphären für Ammoniak aufweisen.

Wie bisher kann aus den Werten für die Partialdrücke der Reaktionsquotient bestimmt werden. Wenn man Q in die Gleichung einfügt, beträgt die freie Energie für die Reaktion -45,3 kJ/mol, was auf eine spontane Reaktion in Vorwärtsrichtung hinweist.

Im Verlauf der Vorwärtsreaktion wird mehr Ammoniak produziert und die Reaktionszusammensetzung ändert sich.

Wenn sich die Reaktanten und Produkte im Gleichgewicht befinden, ist die Änderung der freien Energie für die Reaktion Null, und der Wert von RT multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von Q ist gleich und im Vorzeichen der Standardänderung der freien Energie entgegengesetzt.

Wenn das Reaktionsgemisch nun 0,02 Atmosphären Stickstoff, 0,06 Atmosphären Wasserstoff und 4,8 Atmosphären Ammoniak enthält, ist Q viel größer und die Änderung der freien Energie beträgt 5,6 kJ/mol.

Eine positive Änderung der freien Energie deutet darauf hin, dass die Umkehrreaktion energetisch günstig ist. Unter diesen Bedingungen zersetzt sich Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

Änderungen der freien Energie Normzustandsbedingungen Reaktionsquotient Reaktantenkonzentrationen stöchiometrischer Koeffizient gasförmige Reaktionen Partialdrücke universelle Gaskonstante Temperatur Änderung der freien Energie im Normalzustand Zusammensetzung des Reaktionsgemisches Synthese von Ammoniakgas