3.8: Свободная энергия и равновесие

Изменение свободной энергии для процесса можно рассматривать как меру его движущей силы. Отрицательное значениеΔG представляет собой движущую силу процесса в прямом направлении, в то время как положительное значение представляет движущую силу процесса в обратном направлении. Когда Δ G равно нулю, прямые и обратные движущие силы равны, и процесс происходит в обоих направлениях с одинаковой скоростью (система находится в равновесии).

Коэффициент реакции, Q, является удобной мерой состояния равновесной системы. Q — это числовое значение выражения действия массы для системы, и оно может быть использовано для определения направления, в котором будет протекать реакция для достижения равновесия. Когда Q меньше константы равновесия K, реакция будет протекать в прямом направлении до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие и Q = K. И наоборот, если Q > K, то до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, процесс будет идти в обратном направлении.

Изменение свободной энергии для процесса, происходящего с реагентами и продуктами, присутствующими в нестандартных условиях (давления, отличные от 1 бар; концентрации, отличные от 1 М), связано со стандартным изменением свободной энергии в соответствии со следующим уравнением:

ΔG = ΔG° + RT lnQ

R — газовая постоянная (8,314 Дж/К моль), T — кельвин или абсолютная температура, а Q — коэффициент реакции. Для газофазного равновесия используется коэффициент реакции, основанный на давлении, QP. Коэффициент реакции, основанный на концентрации, QC, используется для конденсированных фазовых равновесий.

Для системы, находящейся в равновесии, Q = K и ΔG = 0, и предыдущее уравнение может быть записано как

0 = ΔG° + RT lnK (в равновесии)

ΔG° = −RT lnK

Эта форма уравнения обеспечивает полезную связь между этими двумя существенными термодинамическими свойствами и может быть использована для получения равновесных констант из стандартных изменений свободной энергии и наоборот.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2e, Раздел 16.4: Свободная энергия.