3.8: 자유 에너지와 평형

공정에 대한 자유 에너지 변화는 그 원동력의 척도로 볼 수 있습니다. ΔG에 대한 음수 값은 정방향으로 진행되는 공정의 원동력을 나타내고 양수 값은 역방향으로 진행되는 공정의 원동력을 나타냅니다. ΔG가 0이면 정방향 및 역방향 구동력이 동일하고 프로세스가 동일한 비율로 양방향으로 발생합니다(시스템이 평형 상태에 있음).

반응 지수(reaction quotient) Q는 평형 시스템의 상태를 편리하게 측정한 것입니다. Q는 시스템에 대한 질량 작용 표현식의 수치이며, 평형을 이루기 위해 반응이 진행되는 방향을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. Q가 평형 상수 K보다 작으면 평형에 도달하고 Q = K에 도달할 때까지 반응이 순방향으로 진행됩니다. 반대로, Q가 K>이면 평형이 이루어질 때까지 공정이 역방향으로 진행됩니다.

비표준 조건(1bar 이외의 압력, 1M 이외의 농도)에서 존재하는 반응물 및 생성물로 발생하는 공정의 자유 에너지 변화는 다음 방정식에 따른 표준 자유 에너지 변화와 관련이 있습니다.

ΔG = ΔG° + RT lnQ

R은 기체 상수(8.314 J/K mol), T는 켈빈 또는 절대 온도, Q는 반응 지수입니다. 기체 상 평형의 경우 압력 기반 반응 지수인 QP가 사용됩니다. 농도 기반 반응 지수인 QC는 응축상 평형에 사용됩니다.

평형 상태의 시스템의 경우 Q = K 및 ΔG = 0이며 이전 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

0 = ΔG° + RT lnK (평형 시)

ΔG° = −RT lnK

이 형태의 방정식은 이 두 가지 필수 열역학적 특성 사이에 유용한 연결을 제공하며, 표준 자유 에너지 변화에서 평형 상수를 도출하는 데 사용할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

이 텍스트는 Openstax, Chemistry 2e, 16.4절: Free Energy에서 발췌한 것입니다.