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Calcul des variations d'enthalpie libre standard
La variation d'énergie libre pour une réaction qui se produit dans les conditions standard d'une pression de 1 bar et à 298 K est appelée la variation…
Le changement d'énergie gratuit standard pour une réaction chimique se produisant dans les conditions standard peut être calculé de trois manières. La première méthode utilise l'équation du delta standard G de la réaction. Considérez la formation de carbonate de calcium à partir d'oxyde de calcium et de dioxyde de carbone.
Le changement d'enthalpie standard de la réaction peut être calculé à partir des chaleurs de formation des composés dans la réaction, et le changement d'entropie standard peut être calculées à partir de leurs entropies molaires standard. En utilisant les valeurs des tables de référence, le changement d'enthalpie standard et le changement d'entropie standard pour la réaction peut être déterminée. En substituant ces valeurs dans l'équation de la variation de l'énergie libre standard, le delta G standard de la réaction à 298 kelvin égale à 130, 7 10³joules.
Dans la deuxième méthode, le changement d'énergie libre standard d'une réaction est calculée à partir de la différence entre la somme des énergies libres de formation des produits multipliés par leur coefficients de stœchiométrique et somme des énergies libres de formation des réactifs multipliés par leur coefficients de stoechiométrie. Prenons, par exemple, la réaction entre les gaz d'hydrogène et de chlore pour former deux moles de gaz chlorhydrique. Tout comme l'enthalpie de formation, l'énergie libre standard de formation d'un élément pur est de zéro.
Ainsi, les énergies libres de formation des gaz d'hydrogène et de chlore sont nuls, tandis que celui du gaz chlorhydrique est de 95, 3 kilojoules. Donc, l'énergie libre de cette réaction égale à 2 fois l'énergie libre de formation de gaz de chlorure et d'hydrogène, soit 190, 6 kilojoules. Rappelez-vous de la loi de Hess que pour une réaction par étapes, le changement net d'enthalpie peut être calculé à partir de la somme des enthalpies de chaque étape.
La troisième méthode vise à calculer le changement d'énergie libre nette pour une réaction de manière similaire. Considérez la combustion du sulfure de zinc pour produire du zinc métallique et du gaz dioxyde de soufre, qui peut être effectué en deux étapes avec des énergies libres standard connues. En ajoutant les changements d'énergie libre des réactions, on obtient un delta global G de 98, 8 kilojoules.
Notez que l'étape 1 n'est pas spontanée. En le couplant avec la réaction spontanée de l'étape 2, la réaction nette a un delta G négatif et est donc spontanée.
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Q1: What are the three methods for calculating standard free energy change?
The three methods are: (1) using standard enthalpy and entropy values with the ΔG° equation, (2) calculating from standard free energies of formation of products and reactants, and (3) applying Hess's law principles by summing free energy changes of stepwise reactions. Each method yields the same result since free energy is a state function.
Q2: How do you calculate standard free energy change from enthalpy and entropy?
Determine the standard enthalpy change (ΔH°) from heats of formation and standard entropy change (ΔS°) from standard molar entropies using reference tables. Substitute these values into ΔG° = ΔH° − TΔS° at 298 K. For example, calcium carbonate formation yields ΔG° = −130.7 × 10³ J using this approach.
Q3: Why is the standard free energy of formation zero for pure elements?
By definition, the standard free energy of formation equals zero for elemental substances under standard state conditions because there is no net formation process—the element already exists in its standard state. This convention simplifies calculations, as only compounds contribute to the overall free energy change.
Q4: How do you use free energies of formation to find the standard free energy change of a reaction?
Calculate the sum of free energies of formation of products multiplied by their stoichiometric coefficients, then subtract the sum of free energies of formation of reactants multiplied by their coefficients. For hydrogen and chlorine forming hydrogen chloride, ΔG° = 2(−95.3 kJ) − 0 = −190.6 kJ.
Q5: What does a negative standard free energy change indicate about a reaction?
A negative ΔG° indicates the reaction is spontaneous under standard conditions and will proceed forward. Conversely, a positive ΔG° means the reaction is nonspontaneous. Coupling a nonspontaneous reaction with a spontaneous one can yield an overall negative ΔG°, making the combined process thermodynamically favorable.
Q6: How can Hess's law be applied to calculate free energy changes for stepwise reactions?
For a reaction carried out in multiple steps, sum the standard free energy changes of each individual step to obtain the overall ΔG°. This works because free energy is a state function. For zinc sulfide combustion in two steps with known ΔG° values, the net reaction yields ΔG° = −98.8 kJ.
Q7: What are standard state conditions for calculating free energy changes?
Standard state conditions are defined as 1 bar pressure and 298 K (25°C) temperature. The free energy change calculated under these conditions is called the standard free energy change (ΔG°). These standardized conditions allow chemists to use widely available thermodynamic data tables for consistent calculations.