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 свободн…
Стандартное изменение свободной энергии для химической реакции, протекающей при стандартных условиях, можно рассчитать одним из трех способов. Первый метод использует уравнение для стандартной дельта G реакции. Рассмотрим образование карбоната кальция из оксида кальция и диоксида углерода.
Стандартное изменение энтальпии реакции можно рассчитать по теплотам образования соединений в реакции, а стандартное изменение энтропии можно рассчитать по их стандартным молярным энтропиям. Используя значения из справочных таблиц, можно определить стандартное изменение энтальпии и стандартное изменение энтропии для реакции. Подставляя эти значения в уравнение для изменения стандартной свободной энергии, стандартная дельта G реакции при 298 Кельвинах равна 130, 7 10 Джоулей.
Во втором методе изменение стандартной свободной энергии реакции рассчитывается как разность между суммой свободных энергий образования продуктов, умноженной на их стехиометрические коэффициенты, и суммой свободных энергий образования исходных веществ, умноженной на их стехиометрические коэффициенты. Возьмем, к примеру, реакцию между газообразным водородом и хлором с образованием двух молей газообразного хлористого водорода. Как и энтальпия образования, стандартная свободная энергия образования чистого элемента равна нулю.
Таким образом, свободная энергия образования газообразных водорода и хлора равна нулю, тогда как энергия образования газообразного хлористого водорода составляет 95, 3 килоджоулей. Таким образом, свободная энергия этой реакции в 2 раза превышает свободную энергию образования газообразного хлористого водорода, или 190, 6 килоджоулей. Вспомните закон Гесса, что для ступенчатой реакции чистое изменение энтальпии может быть вычислено из суммы энтальпий каждой ступени.
Третий метод вычисляет чистое изменение свободной энергии для реакции аналогичным образом. Рассмотрим сжигание сульфида цинка для получения металлического цинка и газообразного диоксида серы, которое можно осуществить в два этапа с известными стандартными значениями свободной энергии. Сложение изменений свободной энергии реакций дает общую дельту G, равную 98, 8 килоджоуля.
Обратите внимание, что шаг 1 не является самопроизвольным. В сочетании с самопроизвольной реакцией на стадии 2 результирующая реакция имеет отрицательную дельта G и, следовательно, является самопроизвольной.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the three methods for calculating standard free energy change?
The three methods are: (1) using standard enthalpy and entropy values with the ΔG° equation, (2) calculating from standard free energies of formation of products and reactants, and (3) applying Hess's law principles by summing free energy changes of stepwise reactions. Each method yields the same result since free energy is a state function.
Q2: How do you calculate standard free energy change from enthalpy and entropy?
Determine the standard enthalpy change (ΔH°) from heats of formation and standard entropy change (ΔS°) from standard molar entropies using reference tables. Substitute these values into ΔG° = ΔH° − TΔS° at 298 K. For example, calcium carbonate formation yields ΔG° = −130.7 × 10³ J using this approach.
Q3: Why is the standard free energy of formation zero for pure elements?
By definition, the standard free energy of formation equals zero for elemental substances under standard state conditions because there is no net formation process—the element already exists in its standard state. This convention simplifies calculations, as only compounds contribute to the overall free energy change.
Q4: How do you use free energies of formation to find the standard free energy change of a reaction?
Calculate the sum of free energies of formation of products multiplied by their stoichiometric coefficients, then subtract the sum of free energies of formation of reactants multiplied by their coefficients. For hydrogen and chlorine forming hydrogen chloride, ΔG° = 2(−95.3 kJ) − 0 = −190.6 kJ.
Q5: What does a negative standard free energy change indicate about a reaction?
A negative ΔG° indicates the reaction is spontaneous under standard conditions and will proceed forward. Conversely, a positive ΔG° means the reaction is nonspontaneous. Coupling a nonspontaneous reaction with a spontaneous one can yield an overall negative ΔG°, making the combined process thermodynamically favorable.
Q6: How can Hess's law be applied to calculate free energy changes for stepwise reactions?
For a reaction carried out in multiple steps, sum the standard free energy changes of each individual step to obtain the overall ΔG°. This works because free energy is a state function. For zinc sulfide combustion in two steps with known ΔG° values, the net reaction yields ΔG° = −98.8 kJ.
Q7: What are standard state conditions for calculating free energy changes?
Standard state conditions are defined as 1 bar pressure and 298 K (25°C) temperature. The free energy change calculated under these conditions is called the standard free energy change (ΔG°). These standardized conditions allow chemists to use widely available thermodynamic data tables for consistent calculations.