17.10:

Darmowa energia i równowaga

JoVE Core
Chemia
Aby wyświetlić tę treść, wymagana jest subskrypcja JoVE.  Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
JoVE Core Chemia
Free Energy and Equilibrium
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

21,073 Views

02:56 min
September 24, 2020

Swobodna zmiana energii dla procesu może być postrzegana jako miara jego siły napędowej. Wartość ujemna dla ΔG oznacza siłę napędową procesu w kierunku do przodu, podczas gdy wartość dodatnia reprezentuje siłę napędową dla procesu w kierunku odwrotnym. Gdy ΔGrxn wynosi zero, siły napędowe do przodu i do tyłu są równe, a proces zachodzi w obu kierunkach z tą samą szybkością (układ jest w równowadze).

Przypomnijmy, że Q jest wartością liczbową wyrażenia działania masy dla układu, a jego wartość może być wykorzystana do określenia kierunku, w którym będzie przebiegać reakcja, aby osiągnąć równowagę. Gdy Q jest mniejsze niż stała równowagi, K, reakcja będzie postępować w kierunku do przodu, aż zostanie osiągnięta równowaga i Q = K. I odwrotnie, jeśli Q > K, proces będzie przebiegał w odwrotnym kierunku, aż do osiągnięcia równowagi.

Zmiana energii swobodnej dla procesu zachodzącego z reagentami i produktami obecnymi w niestandardowych warunkach (ciśnienia inne niż 1 bar; stężenia inne niż 1 M) jest związana ze standardową zmianą energii swobodnej zgodnie z tym równaniem:

Eq1

R to stała gazowa (8,314 J/K mol), T to kelwin lub temperatura bezwzględna, a Q to iloraz reakcji. Dla równowag w fazie gazowej stosuje się iloraz reakcji oparty na ciśnieniu, Qp. Iloraz reakcji oparty na stężeniu, Qc, jest używany do równowagi fazy skondensowanej. Równanie to można wykorzystać do przewidywania spontaniczności procesu w dowolnych warunkach

Dla układu w stanie równowagi Q = K i ΔGrxn = 0, a poprzednie równanie można zapisać jako

Eq2

Ta forma równania zapewnia użyteczne powiązanie między tymi dwiema podstawowymi właściwościami termodynamicznymi i może być wykorzystana do wyprowadzenia stałych równowagi ze standardowych zmian energii swobodnej i odwrotnie. Zależności między standardowymi zmianami energii swobodnej a stałymi równowagi są podsumowane poniżej.

Jeżeli K > 1, ΔGºrxn < 0, a produkty są bardziej obfite w mieszaninie reakcyjnej.

Jeśli K < 1, ΔGºrxn > 0, a reagenty występują w większej ilości w mieszaninie reakcyjnej.

K = 1, ΔGºrxn = 0, a reagenty i produkty są porównywalnie obfite w mieszaninie reakcyjnej.

Standardowa energia swobodna dla zmiany reakcji zależy od temperatury:

Eq3

Standardowa zmiana energii swobodnej dla reakcji jest związana ze stałą równowagi dla reakcji:

Eq4

Połączenie tych dwóch wyrażeń:

Eq5

Podzielenie obu stron przez RT daje

Eq6

Przestawianie daje

Eq7

Równanie ma postać linii prostej y = mx + b. Wykres ln K wykreślony w stosunku do 1/T daje linię prostą o nachyleniu −ΔHºrxn/R i przecięciu z osią y ΔSºrxn/R. Równanie można również wyrazić w postaci dwupunktowej:

Eq8

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