17.10: Freie Energie und Gleichgewicht

Die Änderung der freien Energie für einen Prozess kann als Maß für seine treibende Kraft angesehen werden. Ein negativer Wert für ΔG stellt eine treibende Kraft für den Prozess in Vorwärtsrichtung dar, während ein positiver Wert eine treibende Kraft für den Prozess in umgekehrter Richtung darstellt. Wenn ΔG_rxn Null ist, sind die Vorwärts- und Rückwärtsantriebskräfte gleich, und der Prozess läuft in beiden Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ab (das System befindet sich im Gleichgewicht).

Erinnern Sie sich daran, dass Q der numerische Wert des Massenaktionsausdrucks für das System ist, und sein Wert kann verwendet werden, um die Richtung zu identifizieren, in der eine Reaktion ablaufen wird, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Wenn Q kleiner als die Gleichgewichtskonstante K ist, verläuft die Reaktion in Vorwärtsrichtung, bis das Gleichgewicht erreicht ist und Q = K ist. Umgekehrt, wenn Q > K ist, verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung, bis das Gleichgewicht erreicht ist.

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:

R ist die Gaskonstante (8,314 J/K mol), T ist die Kelvin oder absolute Temperatur und Q ist der Reaktionsquotient. Für Gasphasengleichgewichte wird der druckbasierte Reaktionsquotient Q_p verwendet. Der konzentrationsbasierte Reaktionsquotient Q_c wird für Kondensphasengleichgewichte verwendet. Diese Gleichung kann verwendet werden, um die Spontaneität eines Prozesses unter bestimmten Bedingungen vorherzusagen

Für ein Gleichgewichtssystem ist Q = K und ΔG_rxn = 0, und die vorherige Gleichung kann geschrieben werden als

Diese Form der Gleichung stellt eine nützliche Verbindung zwischen diesen beiden wesentlichen thermodynamischen Eigenschaften dar und kann verwendet werden, um Gleichgewichtskonstanten aus Standardänderungen der freien Energie abzuleiten und umgekehrt. Die Beziehungen zwischen Standardänderungen der freien Energie und Gleichgewichtskonstanten werden im Folgenden zusammengefasst.

Wenn K > 1, ΔGº_rxn < 0 und die Produkte im Reaktionsgemisch häufiger vorkommen.

Wenn K 1 <, ist ΔGº_rxn > 0 und die Reaktanten sind in dem Reaktionsgemisch häufiger vorhanden.

K = 1, ΔGº_rxn = 0 und die Reaktanten und Produkte sind im Reaktionsgemisch vergleichbar reichlich vorhanden.

Die standardmäßige freie Energie für eine Reaktionsänderung hängt von der Temperatur ab:

Die standardmäßige Änderung der freien Energie für eine Reaktion hängt mit der Gleichgewichtskonstante für eine Reaktion zusammen:

Kombinieren Sie die beiden Ausdrücke:

Das Teilen beider Seiten durch RT ergibt

Das Umanordnen ergibt

Die Gleichung hat die Form einer Geraden y = mx + b. Ein Diagramm von ln K, aufgetragen gegen 1/T, ergibt eine Gerade mit einer Steigung von −ΔHº_rxn/R und einem y-Schnittpunkt von ΔSº_rxn/R. Die Gleichung kann auch in einer Zwei-Punkt-Form ausgedrückt werden:

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 16.4: Freie Energie.