Vrije energie en evenwicht

Zowel de evenwichtsconstante als de standaard vrije energieverandering kunnen worden gebruikt om te bepalen of een reactie de voorkeur heeft van een product of een reactant. Voor elke samenstelling van het reactiemengsel is de delta G voor de reactie de som van de vrije standaardenergie en RT maal de natuurlijke log van het reactiequotiënt. Wanneer de reactanten en producten in evenwicht zijn, is de vrije energieverandering nul en is het reactiequotiënt gelijk aan de evenwichtsconstante.

Dus de standaard vrije energieverandering is gelijk aan negatieve RT ln K.Als delta G nul kleiner is dan nul, is ln K positief, wat betekent dat K groter is dan 1. In dit geval heeft de productvorming de voorkeur bij evenwicht. Hoe groter de evenwichtsconstante, hoe negatiever de vrije energie.

Neem bijvoorbeeld de afbraak van distikstoftetroxide bij 298 kelvin, waarbij K 1, 34 10¹⁷ is. Door de bekende waarden in de vergelijking te vervangen, is de standaard vrije energie voor de reactie gelijk aan 98 kilojoule per mol, en wordt productvorming bevorderd. Omgekeerd, als delta G nul groter is dan nul, is ln K negatief, wat betekent dat K kleiner is dan 1 en de omgekeerde richting van de reactie de voorkeur heeft.

Beschouw de afbraak van zwaveltrioxidegas bij 298 kelvin, dat een delta G-nul van 141, 6 kilojoules per mol heeft. De vergelijking kan worden herschikt, zodat ln K gelijk is aan negatieve delta G gedeeld door RT.Door de bekende waarden in de vergelijking te vervangen en e te verhogen tot de macht van het resultaat, is K erg klein wat aangeeft dat de reactant de voorkeur heeft. Met name als de temperatuur varieert, zal de evenwichtsconstante ook veranderen.

De temperatuurafhankelijkheid van de evenwichtsconstante kan worden afgeleid uit de vergelijking die K direct relateert aan de delta G nul voor de reactie. De delta G-nul kan worden vervangen door de standaardenthalpie min temperatuur maal de standaard entropie. Door beide zijden te delen door negatieve RT geeft ln K gelijk aan negatieve delta H gedeeld door RT plus delta S gedeeld door R.Deze vergelijking heeft de vorm van een rechte lijn waarbij de natuurlijke log van K kan worden uitgezet tegen de inverse van de temperatuur in Kelvin met een helling van negatieve delta H gedeeld door R en een y-snijpunt van delta S gedeeld door R.Als de waarden van K worden gemeten bij twee enigszins verschillende temperaturen, kan deze grafiek ook worden gebruikt om de verandering in enthalpie te berekenen, ervan uitgaande dat deze constant blijft over een beperkt temperatuurbereik.