17.8
חישוב שינויים סטנדרטיים באנרגיה חופשית
שינוי האנרגיה החופשית לתגובה המתרחשת בתנאים הסטנדרטיים של לחץ של 1 בר וב-298 K נקרא שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית. מכיוון שאנרגיה חופשית היא פונקציי…
ניתן לחשב את שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית לתגובה כימית המתרחשת בתנאים סטנדרטיים באחת משלוש דרכים. השיטה הראשונה משתמשת במשוואה לדלתא G סטנדרטית של תגובה. בחנו את היווצרותו של סידן פחמתי מסידן ומפחמן דו חמצני.
שינוי האנתלפיה הסטנדרטי של התגובה ניתן לחישוב על סמך אנטלפיות ההיוצרות של התרכובות המשתתפות בתגובה, וניתן לחשב את שינוי האנטרופיה הסטנדרטי על סמך האנטרופיות המולריות הסטנדרטיות שלהן. אם נציב את הערכים מטבלאות הנתנונים, נוכל לחשב את שינויי האנתלפיה ואת שינויי האנטרופיה הסטנדרטיות עבור התגובה. נציב ערכים אלה במשוואה של שינוי באנרגיה החופשית הסטנדרטית, ונמצא שדלתא G של התגובה ב-298 קלווין שווה למינוס 130.7 כפול עשר בחזקת 3 ג'ול.
בשיטה השנייה, שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית של תגובה יחושב על פי ההפרש בין סכום האנרגיות החופשיות של היווצרות התוצרים כפול המקדמים הסטויכומטריים שלהם וסכום האנרגיות החופשיות בהיווצרות המגיבים כפול המקדמים הסטויכומטריים שלהם. ניקח לדוגמה את התגובה הנוצרת בין גזי מימן וכלור, היוצרת שני מולים של גז מימן כלורי. בדומה לאנתלפיה של יסוד, האנרגיה החופשית הסטנדרטית בהיווצרות של יסוד טהור היא אפס.
מכאן שהאנרגיות החופשיות בהיווצרות גזי מימן וכלור שווה לאפס, ואילו של גז המימן הכלורי היא מינוס 95.3 קילוג'ול. אם כך, האנרגיה החופשית של התגובה הזו שווה לפעמיים האנרגיה החופשית של היווצרות גז מימן כלורי, או מינוס 190.6 קילוג'ול. זכרו שעל פי חוק הס, בתגובה מרובת שלבים ניתן לחשב את שינוי האנתלפיה על פי סכום האנתלפיות בכל שלב.
השיטה השלישית מחשבת את השינוי בהאנרגיה החופשית בתגובה באופן דומה. נבחן את ההתלקחות של אבץ סולפיד לכדי יצירת אבץ מתכתי וגז גופרית דו חמצנית כתגובה בת שני שלבים בעלי אנרגיות חופשיות סטנדרטיות ידועות. אם נסכום את השינויים באנרגיות החופשיות של התגובות נקבל את דלתא G, כוללת של מינוס 98.8 קילוג'ול.
שימו לב שהשלב ראשון הוא לא ספונטני. בהצמדה לתגובה הספונטנית בשלב השני, לתגובה נטו יש דלתא G שלילית, כלומר היא ספונטנית.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.