3.8: Darmowa energia i równowaga

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 ΔG 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).

Iloraz reakcji, Q, jest wygodną miarą stanu układu równowagi. Q jest wartością liczbową wyrażenia działania masowego dla układu i może być użyta 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:

Δg = ΔG° + RT lnQ

R to stała gazowa (8,314 J/K mol), T to kelwin lub temperatura bezwzględna, a Q to iloraz reakcji. Dla równowag fazy gazowej stosuje się iloraz reakcji oparty na ciśnieniu, QP. Iloraz reakcji oparty na stężeniu, QC, jest używany do równowagi fazy skondensowanej.

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

0 = ΔG° + RT lnK (w stanie równowagi)

ΔG° = −RT lnK

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.

Ten tekst jest adaptacją Openstax, Chemistry 2e, Sekcja 16.4: Wolna Energia.