Back to chapter

17.7:

השפעות הטמפרטורה על האנרגיה החופשית

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Effects of Temperature on Free Energy

Languages

Share

כדי שתגובה תהיה ספונטנית בטמפרטורה ובלחץ קבועים השינוי באנרגיה החופשית של גיבס, דלתא G, צריך להיות קטן מאפס. הסימן של דלתא G תלוי בסימנים ובערכים היחסיים של האנתלפיה, האנטרופיה והטמפרטורה. אנתלפיה נוטה לספונטניות כאשר בתגובה נפלט חום לסביבה, בעוד שהאנטרופיה נוטה לספונטניות כשיש יותר אי-סדר במערכת.אם ΔH שלילית ו ΔS חיובית, לדוגמה בתגובה בין נתרן הידרוקסיד לחומצה הידרוכלורית, ΔG תהיה שלילית בכל טמפרטורה‪מכאן שתגובות אקסותרמיות, בהן האנטרופיה של המערכת גדלה, הן תמיד ספונטניות. אם גם ΔH וגם ΔS הן שליליות, דלתא G תהיה תלויה בטמפרטורה. חשבו על קיפאון מים לקרח, תגובה אקסותרמית שבה האנטרופיה של המערכת קטנה.בטמפרטורות הנמוכות מטמפרטורת הקיפאון של מים, המים יקפאו ספונטנית, ישחררו חום ויפכו ליותר מסודרים. מכאן שתגובות בעלות שינויים שליליים באנתלפיה ובאנטרופיה יהיו ספונטניות רק בטמפרטורות נמוכות. ΔG גם תלויה בטמפרטוריה אם גם ΔH וגם ΔS תהיינה חיוביות.דוגמה טיפוסית לכך נראה בקרחון כימי בו אמוניום חנקתי מוצק מתמוסס במים הסופגים את החום מהסביבה. התגובה האנדותרמית מתחרשת ספונטנית בטמפרטורת החדר משום שאי הסדר במערכת גדל. מכאן שתגובות בעלות שינויים חיוביים באנתלפיה ובאנטרופיה יהיו ספונטניות רק בטמפרטורות גבוהות יותר.אם ירדו הטמפרטורות, לדוגמה אם TΔS יהיה נמוך יותר ΔH, אז ΔG תהיה חיובית והתגובה תהפוך לבלתי ספונטנית. כΔH חיובית וΔGS שלילית, דלתא G תמיד חיובית, והתגובה תהיה בלתי ספונטנית בכל הטמפרטורות.

17.7:

השפעות הטמפרטורה על האנרגיה החופשית

The spontaneity of a process depends upon the temperature of the system. Phase transitions, for example, will proceed spontaneously in one direction or the other depending upon the temperature of the substance in question. Likewise, some chemical reactions can also exhibit temperature-dependent spontaneities. To illustrate this concept, the equation relating free energy change to the enthalpy and entropy changes for the process is considered:

Eq1

The spontaneity of a process, as reflected in the arithmetic sign of its free energy change, is then determined by the signs of the enthalpy and entropy changes and, in some cases, the absolute temperature. Since T is the absolute (kelvin) temperature, it can only have positive values. Four possibilities, therefore, exist with regard to the signs of the enthalpy and entropy changes:

  1. Both ΔH and ΔS are positive. This condition describes an endothermic process that involves an increase in system entropy. In this case, ΔG will be negative if the magnitude of the TΔS term is greater than ΔH. If the TΔS term is less than ΔH, the free energy change will be positive. Such a process is spontaneous at high temperatures and nonspontaneous at low temperatures.
  2. Both ΔH and ΔS are negative. This condition describes an exothermic process that involves a decrease in system entropy. In this case, ΔG will be negative if the magnitude of the TΔS term is less than ΔH. If the TΔS term’s magnitude is greater than ΔH, the free energy change will be positive. Such a process is spontaneous at low temperatures and nonspontaneous at high temperatures.
  3. ΔH is positive, and ΔS is negative. This condition describes an endothermic process that involves a decrease in system entropy. In this case, ΔG will be positive regardless of the temperature. Such a process is nonspontaneous at all temperatures.
  4. ΔH is negative, and ΔS is positive. This condition describes an exothermic process that involves an increase in system entropy. In this case, ΔG will be negative regardless of the temperature. Such a process is spontaneous at all temperatures.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 16.4: Free Energy.