17.8: Расчет стандартных изменений свободной энергии

Изменение свободной энергии для реакции, которая происходит в стандартных условиях давления 1 бар и при 298 K называется стандартным изменение свободной энергии. Поскольку свободная энергия является функцией состояния, ее значение зависит только от условий начального и конечного состояний системы. Удобный и общий подход к расчету свободных изменений энергии для физических и химических реакций заключается в использовании широко доступных компиляций стандартных термодинамических данных состояния. Один из методов предполагает использование стандартных энтальпий и энтропий для вычисления стандартных свободных изменений энергии, ΔG°, согласно следующей связи.

Стандартный изменение свободной энергии для реакции также может быть рассчитан на основе стандартной свободной энергии образования ΔGf° значений реагенты и продуктов, участвующих в реакции. Стандартной свободной энергией образования является изменение свободной энергии, который сопровождает формирование одного моль вещества из его элементов в их стандартных состояниях. Аналогично стандартной энтальпии образования, ΔGf° по определению равен нулю для элементарных веществ в стандартных условиях. Для реакции

стандартный изменение свободной энергии при комнатной температуре может быть рассчитан как

Использование свободных энергий формирования для вычисления свободных изменений энергии для реакций, как описано выше, возможно, потому что ΔG является государственной функцией, и подход аналогичен использованию закона Гесса в вычислениях изменений энтальпии. Рассмотрим испарение воды в качестве примера:

Уравнение, представляющее этот процесс, может быть получено путем добавления реакций образования для двух фаз воды (обязательно реверсирование реакции для жидкой фазы). изменение свободной энергии для суммарной реакции — это сумма свободных изменений энергии для двух дополнительных реакций:

Этот подход также может использоваться в случаях, когда спонтанная реакция включается путем ее связывания с спонтанной реакцией. Например, производство элементарного цинка из сульфида цинка термодинамически неблагоприятно, как показано положительным значением для ΔG°₁:

Промышленный процесс производства цинка из сульфидических руд включает в себя связь этой реакции разложения с термодинамически благоприятным окислением серы:

В результате связанной реакции наблюдается отрицательный изменение свободной энергии и спонтанно:

Этот процесс обычно выполняется при повышенных температурах, поэтому этот результат, полученный с использованием стандартных значений свободной энергии, является лишь оценочной. Тем не менее, суть вычислений верна.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Глава 16.4: Свободная энергия.