Back to chapter

17.8:

חישוב שינויי אנרגיה חופשית סטדנרטיים

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

Languages

Share

ניתן לחשב את שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית לתגובה כימית המתרחשת בתנאים סטנדרטיים באחת משלוש דרכים. השיטה הראשונה משתמשת במשוואה לדלתא G סטנדרטית של תגובה. בחנו את היווצרותו של סידן פחמתי מסידן ומפחמן דו חמצני.שינוי האנתלפיה הסטנדרטי של התגובה ניתן לחישוב על סמך אנטלפיות ההיוצרות של התרכובות המשתתפות בתגובה, וניתן לחשב את שינוי האנטרופיה הסטנדרטי על סמך האנטרופיות המולריות הסטנדרטיות שלהן. אם נציב את הערכים מטבלאות הנתנונים, נוכל לחשב את שינויי האנתלפיה ואת שינויי האנטרופיה הסטנדרטיות עבור התגובה. נציב ערכים אלה במשוואה של שינוי באנרגיה החופשית הסטנדרטית, ונמצא שדלתא G של התגובה ב-298 קלווין שווה למינוס 130.7 כפול עשר בחזקת 3 ג’ול.בשיטה השנייה, שינוי האנרגיה החופשית הסטנדרטית של תגובה יחושב על פי ההפרש בין סכום האנרגיות החופשיות של היווצרות התוצרים כפול המקדמים הסטויכומטריים שלהם וסכום האנרגיות החופשיות בהיווצרות המגיבים כפול המקדמים הסטויכומטריים שלהם. ניקח לדוגמה את התגובה הנוצרת בין גזי מימן וכלור, היוצרת שני מולים של גז מימן כלורי. בדומה לאנתלפיה של יסוד, האנרגיה החופשית הסטנדרטית בהיווצרות של יסוד טהור היא אפס.מכאן שהאנרגיות החופשיות בהיווצרות גזי מימן וכלור שווה לאפס, ואילו של גז המימן הכלורי היא מינוס 95.3 קילוג’ול. אם כך, האנרגיה החופשית של התגובה הזו שווה לפעמיים האנרגיה החופשית של היווצרות גז מימן כלורי, או מינוס 190.6 קילוג’ול. זכרו שעל פי חוק הס, בתגובה מרובת שלבים ניתן לחשב את שינוי האנתלפיה על פי סכום האנתלפיות בכל שלב.השיטה השלישית מחשבת את השינוי בהאנרגיה החופשית בתגובה באופן דומה. נבחן את ההתלקחות של אבץ סולפיד לכדי יצירת אבץ מתכתי וגז גופרית דו חמצנית כתגובה בת שני שלבים בעלי אנרגיות חופשיות סטנדרטיות ידועות. אם נסכום את השינויים באנרגיות החופשיות של התגובות נקבל את דלתא G, כוללת של מינוס 98.8 קילוג’ול.שימו לב שהשלב ראשון הוא לא ספונטני. בהצמדה לתגובה הספונטנית בשלב השני, לתגובה נטו יש דלתא G שלילית, כלומר היא ספונטנית.

17.8:

חישוב שינויי אנרגיה חופשית סטדנרטיים

The free energy change for a reaction that occurs under the standard conditions of 1 bar pressure and at 298 K is called the standard free energy change. Since free energy is a state function, its value depends only on the conditions of the initial and final states of the system. A convenient and common approach to the calculation of free energy changes for physical and chemical reactions is by use of widely available compilations of standard state thermodynamic data. One method involves the use of standard enthalpies and entropies to compute standard free energy changes, ΔG°, according to the following relation.

Eq1

The standard free energy change for a reaction may also be calculated from the standard free energy of formation ΔGf° values of the reactants and products involved in the reaction. The standard free energy of formation is the free energy change that accompanies the formation of one mole of a substance from its elements in their standard states. Similar to the standard enthalpy of formation, ΔGf° is by definition zero for elemental substances under standard state conditions. For the reaction

Eq2

the standard free energy change at room temperature may be calculated as

Eq3

The use of free energies of formation to compute free energy changes for reactions as described above is possible because ΔG is a state function, and the approach is analogous to the use of Hess’ Law in computing enthalpy changes. Consider the vaporization of water as an example:

Eq4

An equation representing this process may be derived by adding the formation reactions for the two phases of water (necessarily reversing the reaction for the liquid phase). The free energy change for the sum reaction is the sum of free energy changes for the two added reactions:

Eq5

This approach may also be used in cases where a nonspontaneous reaction is enabled by coupling it to a spontaneous reaction. For example, the production of elemental zinc from zinc sulfide is thermodynamically unfavorable, as indicated by a positive value for ΔG°1:

Eq6

The industrial process for the production of zinc from sulfidic ores involves coupling this decomposition reaction to the thermodynamically favorable oxidation of sulfur:

Eq7

The coupled reaction exhibits a negative free energy change and is spontaneous:

Eq8

This process is typically carried out at elevated temperatures, so this result obtained using standard free energy values is just an estimate. The gist of the calculation, however, holds true.

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