17.8
표준 자유 에너지 변화 계산
1bar 압력, 298K의 표준 조건에서 발생하는 반응의 자유 에너지 변화를 표준 자유 에너지 변화라고 합니다. 자유 에너지는 상태 함수이기 때문에 그 값은 시스템의 초기 및 최종 상태 조건에만 의존합니다. 물리적 및 화학적 반응에 대한 자유 에너지 변화를 계산하는 편…
표준 조건에서 발생하는 화학 반응에 대한 표준 자유 에너지 변화는 세 가지 방법 중 어느 하나로 계산할 수 있습니다. 표준 자유 에너지 변화는 세 가지 방법 중 어느 하나로 계산할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 반응의 표준 델타 G에 대한 방정식을 사용하는 것입니다.
산화칼슘과 이산화탄소로부터 탄산칼슘을 형성하는 과정을 관찰해 봅니다. 반응의 표준 엔탈피 변화는 반응에서 화합물이 형성되면서 나오는 열로부터 계산될 수 있고 준 엔트로피 변화는 표준 몰 엔트로피 로부터 계산될 수 있습니다. 기준 표의 값을 사용하여 반응에 대한 표준 엔탈피 변화와 준 엔트로피 변화를 결정할 수 있습니다.
이 값들을 표준 자유 에너지의 변화에 대한 방정식에 대입하면 298 켈빈에서 반응의 표준 델타 G는 130.7 10³ 줄과 같습니다. 두 번째 방법에서 반응의 표준 자유 에너지의 변화는 생성물의 자유 에너지의 합에 화학양론계수를 곱한 것과 반응물의 자유로운 에너지의 합에 화학양론계수를 곱한 것의 차이로 계산합니다. 예를 들어 수소와 염소 기체가 반응하여 두 몰의 염화수소 기체를 생성하는 반응을 볼 수 있습니다.
생성 엔탈피와 같이 순수한 원소의 생성 표준 자유 에너지는 0입니다. 따라서 수소 및 염소 기체의 생성 자유 에너지는 0인 반면 염화 수소 기체의 경우는 95.3 킬로줄입니다. 그래서 이 반응의 자유 에너지는 염화수소 기체의 생성 자유 에너지의 2배 또는 190.6 킬로줄과 같습니다.
헤스의 법칙으로부터 단계적 반응에 대한 순 엔탈피 변화는 각 단계의 엔탈피의 합에 의해 계산될 수 있다는 것을 상기시킵니다. 세 번째 방법에서는 유사한 방식으로 반응에 대한 순수 자유 에너지 변화를 계산합니다. 황화 아연이 연소하여 금속 아연과 아황산 기체를 생성하는 과정을 고려해봅시다.
이 과정은 표준 자유 에너지가 알려진 두 단계로 수행할 수 있습니다. 반응의 자유 에너지 변화를 더하면 전체 델타 G는 98.8 킬로줄입니다. 여기서 단계 1은 비자발적입니다.
이 단계를 2단계의 자발적 반응과 결합하면 순 반응은 음의 델타 G를 가지며 따라서 자발적입니다.
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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.