Back to chapter

17.9:

تغيرات الطاقة الحرة للحالات الغير قياسية

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Free Energy Changes for Nonstandard States

Languages

Share

يمكن تحديد التغير القياسي في الطاقة الحرة فقط في حالة حدوثه في ظروف معيارية حين تكون كل من المواد المتفاعلة والنواتج في حالاتها المعيارية. غير أن معظم التفاعلات الكيميائية لا تجري في هذه الظروف. في أي ظروف معيارية أو غير معيارية توصف الكمية النسبية من النواتج والمواد المتفاعلة الموجودة في التفاعل بحاصل التفاعل Q.في التفاعلات بين السوائل،تُحسب قيمة Q من نسبة تركيز النواتج والموادالمتفاعلة،مع رفع تركيز كل مركب إلى قوة أسّية تساوي معامل تكافؤه.أما في التفاعلات بين الغازات،فيمكن استخدام الضغط الجزئي للغازات مكان التركيزات. التغير في الطاقة الحرة لتفاعل ما يساوي مجموع التغير في كمية الطاقة الحرة في الحالة المعيارية للتفاعل دلتا G°وقيمة RT مضروبة في اللوغاريتم الطبيعي لـQ. R هنا،يمثل ثابت الغاز العالمي بوحدة جول لكل مول-كلفن،وتمثل T درجة حرارة التفاعل بالكلفن.عند درجة حرارة ثابتة،تكون قيمة الطاقة الحرة للحالة المعيارية ثابتة،لكن قيمة Q تختلف لأنها تتوقف على تركيبة خليط التفاعل. لنتأمل تصنيع غاز الأمونيا من النيتروجين والهيدروجين عند درجة حرارة 298 كلفن. في الظروف المعيارية،وهي بالنسبة للغاز وجود غاز نقي تحت ضغط 1 جو،تكون الضغوط الجزئية لكافة المكوّنات تساوي 1 جو،ويكون مقدار حاصل التفاعل يساوي 1.بالتالي،فإن التغير في الطاقة الحرة للتفاعل،يساوي التغير القياسي في الطاقة الحرة للتفاعل،ويساوي سالب 32.8 كيلو جول لكل مول،ويكون التفاعل الأمامي تلقائيًا. في ظروف غير معيارية،قد يكون الضغط الجزئي لمكوّنات خليط التفاعل 1.2 جو للنيتروجين و 3.6 جو للهيدروجين،و 0.60 للأمونيا. كما في السابق،يمكن تحديد حاصل التفاعل من قيم الضغط الجزئي.باستبدال القيم في المعادلة لحساب قيمة Q،تكون الطاقة الحرة للتفاعل سالب 45.3 كيلو جول لكل مول،مما يدل على أن التفاعل تلقائي. في الاتجاه الأمامي. مع تقدم التفاعل الأمامي،يتم إنتاج مزيد من الأمونيا،وتتغير تركيبة التفاعل.عندما تكون المواد المتفاعلة والنواتج في حالة توازن،تكون قيمة التغير في الطاقة الحرة صفرًا،وتكون قيمة RT مضروبة في اللوغاريتم الطبيعي لـQ تساوي التغير القياسي في الطاقة الحرة مع عكس الإشارة. الآن،إذا احتوى خليط التفاعل على نيتروجين ضغطه 0.02 جو،وهيدروجين ضغطه 0.06 جو،وأمونيا ضغطها 4.8 جو،تكون Q أكبر بكثير،ويكون التغير في الطاقة الحرة 5.6 كيلو جول لكل مول. يدل التغير الإيجابي في الطاقة الحرة على الميل نحو التفاعل العكسي من ناحية الطاقة.ولهذا،تحت هذه الظروف،تتحلل الأمونيا لتنتج نيتروجين وهيدروجين.

17.9:

تغيرات الطاقة الحرة للحالات الغير قياسية

يرتبط تغيير الطاقة الحرة لعملية تحدث مع المواد المتفاعلة والمنتجات الموجودة في ظروف غير قياسية (ضغوط بخلاف 1 بار؛ التركيزات بخلاف 1 متر) بالتغير القياسي في الطاقة الحرة وفقًا لهذه المعادلة:

 Eq1

حيث R هو ثابت الغاز (8.314 J/K·mol)، و T هو درجة الحرارة المطلقة بالكلفن، و Q هو حاصل قسمة التفاعل. يمكن استخدام هذه المعادلة للتنبؤ بعفوية العملية تحت أي مجموعة معينة من الشروط.

حاصل قسمة التفاعل (Q)

يتم تقييم حالة التفاعل القابل للعكس بشكل ملائم من خلال تقييم حاصل قسمة التفاعل، Q. لتفاعل قابل للعكس موصوف بواسطة

 Eq1

يُشتق حاصل قسمة التفاعل مباشرةً من القياس المتكافئ للمعادلة المتوازنة

 Eq1

حيث يشير الرمز c إلى استخدام التركيزات المولية في التعبير. حاصل قسمة التفاعل المعتمد على التركيز، Qc، يستخدم لتوازن الطور المكثف. إذا كانت المواد المتفاعلة والمنتجات غازية ، فيمكن اشتقاق حاصل التفاعل بالمثل باستخدام الضغوط الجزئية:

 Eq1

في ظل الظروف القياسية ، تكون تركيزات المادة المتفاعلة ومحلول المنتج 1 م، أو ضغط الغازات 1 بار، و Q يساوي 1. لذل ، في ظل الظروف القياسية

 Eq1

في ظل ظروف غير قياسية، يجب حساب Q.

تختلف القيمة العددية لـ Q مع تقدم التفاعل نحو التوازن؛ لذلك، يمكن أن يكون بمثابة مؤشر مفيد لحالة التفاعل’. لتوضيح هذه النقطة، ضع في اعتبارك أكسدة ثاني أكسيد الكبريت:

 Eq1

ضع في اعتبارك سيناريوهين تجريبيين مختلفين، أحدهما يبدأ فيه هذا التفاعل بمزيج من المواد المتفاعلة فقط، SO2 and O2، والآخر يبدأ بـ المنتج، SOSO3. بالنسبة للتفاعل الذي يبدأ بخليط من المواد المتفاعلة فقط، فإن Q تساوي في البداية صفرًا:

 Eq1

مع تقدم التفاعل نحو التوازن في الاتجاه الأمامي، تنخفض تركيزات المادة المتفاعلة (كما يفعل المقام الحسابي Qc) ، ويزداد تركيز المنتج (كما يفعل البسط الحسابيQc)، وبالتالي يزيد حاصل التفاعل. عند تحقيق التوازن، تظل تركيزات المواد المتفاعلة والنواتج ثابتة، كما هو الحال مع قيمةQc.

إذا بدأ التفاعل بالمنتج الموجود فقط، فإن قيمة Qc تكون في البداية غير محددة (كبيرة أو غير محدودة بشكل لا يقاس):

 Eq1

في هذه الحالة، يتقدم التفاعل نحو التوازن في الاتجاه العكسي. تركيز المنتج والبسط الحسابي Qc يتناقصان بمرور الوقت، وتركيزات المادة المتفاعلة والمقام الحسابي Qc يزدادان، وبالتالي ينخفض ​​حاصل التفاعل حتى يصبح ثابتًا عند التوازن.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy and Openstax, Chemistry 2e, Chapter 13.2: Equilibrium Constants.