Chapter 17: Thermodynamics

Back to chapter

17.8:

حسابات تغيرات الطاقة الحرة القياسية

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Calculating Standard Free Energy Changes

Previous Video
17.7: Effects of Temperature on Free Energy

Next Video
17.9: Free Energy Changes for Nonstandard States

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

يمكن حساب تغير الطاقة الحرة القياسي لتفاعل كيميائي،يجري في ظروف معيارية بواحدة من ثلاث طرق. الطريقة الأولى تستخدم معادلة دلتا G القياسية للتفاعل. لنتأمل تشكّل كربونات الكالسيوم من أول أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.يمكن حساب التغير القياسي في المحتوى الحراري للتفاعل من درجات حرارة تشكّل المركبات في التفاعل،ويمكن حساب التغير القياسي في القصور الحراري من خلال القصور الحراري القياسي المولي لتلك المركبات. باستخدام القيم من الجداول المرجعية،يمكن تحديد التغير القياسي في المحتوى الحراري والقصور الحراري للتفاعل. باستبدال هذه القيم في معادلة تغير الطاقة الحرة القياسي،فإن دلتا G القياسية للتفاعل عند درجة حرارة 298 كلفن تساوي 130.7 10³ جول.وفي الطريقة الثانية يُحسب التغير في الطاقة الحرة القياسي للتفاعل،من الفرق بين كمية الطاقات الحرة لتشكّل النواتج مضروبًا في معاملات تكافؤها إضافة إلى كمية الطاقات الحرة لتشكّل المواد المتفاعلة مضروبة في معاملات اتحاديتها. لنأخذ على سبيل المثال تفاعل غازي الهيدروجين والكلور لتشكيل مولين من غاز كلوريد الهيدروجين. كحال المحتوى الحراري للتشكّل،يكون تغير الطاقة الحرة القياسي لتشكّل عنصر نقي صفرًا.بالتالي فإن الطاقات الحرة لتشكّل غازي الهيدروجين والكلور تساوي صفرًا،بينما الطاقة الحرة لتشكّل غاز كلوريد الهيدروجين تساوي 95.3 كيلو جول. لذا فالطاقة الحرة لهذا التفاعل تساوي طاقة تشكّل غاز كلوريد الهيدروجين مضروبة في 2،أو 190.6 كيلو جول. تذكروا من قانون هس أنه في تفاعل من عدة خطوات،يمكن حساب التغير الإجمالي في المحتوى الحراري من مقدار المحتويات الحرارية في كل خطوة.أما الطريقة الثالثة فتحسب التغير الإجمالي في الطاقة الحرة لتفاعل معين على نحو مشابه. لنتأمل احتراق كبريتيد الزنك لإنتاج زنك فلزي وغاز ثاني أكسيد الكبريت،وهي معادلة يمكن إجراؤها في خطوتين بكمية طاقة حرة قياسية معروفة. إضافة التغيرات في الطاقة الحرة للتفاعل تعطي إجمالي دلتا G بقيمة 98.8 كيلو جول.لاحظوا أن الخطوة الأولى ليست تلقائية. بإقرانها مع التفاعل التلقائي في الخطوة الثانية،تكون دلتا G الإجمالية للتفاعل سالبة وهو بالتالي تفاعل تلقائي.

17.8:

حسابات تغيرات الطاقة الحرة القياسية

يُطلق على تغيير الطاقة الحرة للتفاعل الذي يحدث في ظل الظروف القياسية لضغط 1 بار وعند 298 كلفن تغيير الطاقة الحرة القياسي. نظرًا لأن الطاقة الحرة هي إحدى وظائف الحالة ، فإن قيمتها تعتمد فقط على ظروف الحالة الأولية والنهائية للنظام. تتمثل الطريقة الملائمة والشائعة لحساب تغيرات الطاقة الحرة للتفاعلات الفيزيائية والكيميائية في استخدام مجموعات متاحة على نطاق واسع من البيانات الديناميكية الحرارية للحالة القياسية.تتضمن إحدى الطرق استخدام المحتوى الحراري القياسي والانتروبيا لحساب تغييرات الطاقة الحرة القياسية، ΔG°، وفقًا للعلاقة التالية.

يمكن أيضًا حساب التغير القياسي في الطاقة الحرة للتفاعل من الطاقة الحرة القياسية للتكوين ΔG_f° قيم المواد المتفاعلة والنواتج المتضمنة في التفاعل. الطاقة القياسية الحرة للتكوين هي تغيير الطاقة الحرة الذي يصاحب تكوين مول واحد من مادة من عناصرها في حالاتها القياسية. على غرار المحتوى الحراري القياسي للتشكيل، ΔG_f° هو بحكم التعريف صفر للمواد الأولية في ظل ظروف الحالة القياسية. للتفاعل

يمكن حساب التغير القياسي في الطاقة الحرة عند درجة حرارة الغرفة على أنه

من الممكن استخدام الطاقات الحرة للتكوين لحساب تغيرات الطاقة الحرة للتفاعلات كما هو موضح أعلاه لأن ΔG هي وظيفة حالة ، والنهج مشابه لاستخدام قانون هيس&#8217 يتغير القانون في حساب المحتوى الحراري. فكر في تبخير الماء كمثال:

يمكن اشتقاق معادلة تمثل هذه العملية بإضافة تفاعلات التكوين لمرحلتي الماء (بالضرورة عكس تفاعل المرحلة السائلة). تغيير الطاقة الحرة لمجموع التفاعل هو مجموع تغيرات الطاقة الحرة للتفاعلين المضافين:

يمكن استخدام هذا الأسلوب أيضًا في الحالات التي يتم فيها تمكين تفاعل غير تلقائي من خلال إقرانه بتفاعل تلقائي. على سبيل المثال ، إنتاج عنصر الزنك من كبريتيد الزنك غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية ، كما يتضح من قيمة موجبة لـ ΔG°₁:

تتضمن العملية الصناعية لإنتاج الزنك من خامات الكبريتيك اقتران تفاعل التحلل هذا مع الأكسدة الديناميكية الحرارية المفضلة للكبريت:

يُظهر التفاعل المقترن تغيرًا سلبيًا في الطاقة الحرة ويكون تلقائيًا:

يتم تنفيذ هذه العملية عادةً في درجات حرارة مرتفعة ، لذا فإن هذه النتيجة التي تم الحصول عليها باستخدام قيم الطاقة الحرة القياسية هي مجرد تقدير. ومع ذلك ، فإن جوهر الحساب صحيح.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy.