17.8: Obliczanie standardowych zmian energii swobodnej

Zmiana energii swobodnej dla reakcji, która zachodzi w normalnych warunkach ciśnienia 1 bara i przy 298 K, nazywana jest standardową zmianą energii swobodnej. Ponieważ energia swobodna jest funkcją stanu, jej wartość zależy tylko od warunków stanu początkowego i końcowego układu. Wygodnym i powszechnym podejściem do obliczania zmian energii swobodnej dla reakcji fizycznych i chemicznych jest wykorzystanie powszechnie dostępnych kompilacji danych termodynamicznych w stanie standardowym. Jedna z metod polega na użyciu standardowych entalpii i entropii do obliczenia standardowych zmian energii swobodnej, ΔG°, zgodnie z następującą zależnością.

Standardową zmianę energii swobodnej dla reakcji można również obliczyć na podstawie standardowych wartości swobodnej energii tworzenia ΔG_f° reagentów i produktów biorących udział w reakcji. Standardowa swobodna energia powstawania to swobodna zmiana energii, która towarzyszy powstawaniu jednego mola substancji z jej pierwiastków w ich standardowych stanach. Podobnie jak w przypadku standardowej entalpii powstawania, ΔG_f ° jest z definicji zerem dla substancji elementarnych w warunkach stanu standardowego. Do reakcji

Standardową swobodną zmianę energii w temperaturze pokojowej można obliczyć jako

Wykorzystanie swobodnych energii formacji do obliczania zmian energii swobodnej dla reakcji, jak opisano powyżej, jest możliwe, ponieważ ΔG jest funkcją stanu, a podejście jest analogiczne do zastosowania prawa Hessa w obliczaniu zmian entalpii. Rozważmy na przykład parowanie wody:

Równanie reprezentujące ten proces można wyprowadzić przez dodanie reakcji powstawania dla dwóch faz wody (koniecznie odwracając reakcję dla fazy ciekłej). Zmiana energii swobodnej dla reakcji sumy jest sumą zmian energii swobodnej dla dwóch dodanych reakcji:

Podejście to może być również stosowane w przypadkach, gdy reakcja niespontaniczna jest możliwa poprzez sprzężenie jej z reakcją spontaniczną. Na przykład produkcja pierwiastkowego z siarczku jest termodynamicznie niekorzystna, na co wskazuje dodatnia wartość ΔG°₁:

Proces przemysłowy produkcji z rud siarczkowych polega na sprzężeniu tej reakcji rozkładu z korzystnym termodynamicznie utlenianiem siarki:

Sprzężona reakcja wykazuje ujemną zmianę energii swobodnej i jest spontaniczna:

Proces ten jest zwykle przeprowadzany w podwyższonych temperaturach, więc ten wynik uzyskany przy użyciu standardowych wartości energii darmowej jest tylko szacunkowy. Istota tej kalkulacji jest jednak prawdziwa.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Rozdział 16.4: Wolna energia.