Back to chapter

17.10:

Vrije Energie en Evenwicht

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 and Equilibrium

Languages

Share

Zowel de evenwichtsconstante als de standaard vrije energieverandering kunnen worden gebruikt om te bepalen of een reactie de voorkeur heeft van een product of een reactant. Voor elke samenstelling van het reactiemengsel is de delta G voor de reactie de som van de vrije standaardenergie en RT maal de natuurlijke log van het reactiequotiënt. Wanneer de reactanten en producten in evenwicht zijn, is de vrije energieverandering nul en is het reactiequotiënt gelijk aan de evenwichtsconstante.Dus de standaard vrije energieverandering is gelijk aan negatieve RT ln K.Als delta G nul kleiner is dan nul, is ln K positief, wat betekent dat K groter is dan 1. In dit geval heeft de productvorming de voorkeur bij evenwicht. Hoe groter de evenwichtsconstante, hoe negatiever de vrije energie.Neem bijvoorbeeld de afbraak van distikstoftetroxide bij 298 kelvin, waarbij K 1, 34 10¹⁷ is. Door de bekende waarden in de vergelijking te vervangen, is de standaard vrije energie voor de reactie gelijk aan 98 kilojoule per mol, en wordt productvorming bevorderd. Omgekeerd, als delta G nul groter is dan nul, is ln K negatief, wat betekent dat K kleiner is dan 1 en de omgekeerde richting van de reactie de voorkeur heeft.Beschouw de afbraak van zwaveltrioxidegas bij 298 kelvin, dat een delta G-nul van 141, 6 kilojoules per mol heeft. De vergelijking kan worden herschikt, zodat ln K gelijk is aan negatieve delta G gedeeld door RT.Door de bekende waarden in de vergelijking te vervangen en e te verhogen tot de macht van het resultaat, is K erg klein wat aangeeft dat de reactant de voorkeur heeft. Met name als de temperatuur varieert, zal de evenwichtsconstante ook veranderen.De temperatuurafhankelijkheid van de evenwichtsconstante kan worden afgeleid uit de vergelijking die K direct relateert aan de delta G nul voor de reactie. De delta G-nul kan worden vervangen door de standaardenthalpie min temperatuur maal de standaard entropie. Door beide zijden te delen door negatieve RT geeft ln K gelijk aan negatieve delta H gedeeld door RT plus delta S gedeeld door R.Deze vergelijking heeft de vorm van een rechte lijn waarbij de natuurlijke log van K kan worden uitgezet tegen de inverse van de temperatuur in Kelvin met een helling van negatieve delta H gedeeld door R en een y-snijpunt van delta S gedeeld door R.Als de waarden van K worden gemeten bij twee enigszins verschillende temperaturen, kan deze grafiek ook worden gebruikt om de verandering in enthalpie te berekenen, ervan uitgaande dat deze constant blijft over een beperkt temperatuurbereik.

17.10:

Vrije Energie en Evenwicht

The free energy change for a process may be viewed as a measure of its driving force. A negative value for ΔG represents a driving force for the process in the forward direction, while a positive value represents a driving force for the process in the reverse direction. When ΔGrxn is zero, the forward and reverse driving forces are equal, and the process occurs in both directions at the same rate (the system is at equilibrium).

Recall that Q is the numerical value of the mass action expression for the system, and its value may be used to identify the direction in which a reaction will proceed in order to achieve equilibrium. When Q is lesser than the equilibrium constant, K, the reaction will proceed in the forward direction until equilibrium is reached and Q = K. Conversely, if Q > K, the process will proceed in the reverse direction until equilibrium is achieved.

The free energy change for a process taking place with reactants and products present under nonstandard conditions (pressures other than 1 bar; concentrations other than 1 M) is related to the standard free energy change according to this equation:

Eq1

R is the gas constant (8.314 J/K mol), T is the kelvin or absolute temperature, and Q is the reaction quotient. For gas-phase equilibria, the pressure-based reaction quotient, Qp, is used. The concentration-based reaction quotient, Qc, is used for condensed phase equilibria. This equation may be used to predict the spontaneity of a process under any given set of conditions

For a system at equilibrium, Q = K and ΔGrxn = 0, and the previous equation may be written as

Eq2

This form of the equation provides a useful link between these two essential thermodynamic properties, and it can be used to derive equilibrium constants from standard free energy changes and vice versa. The relations between standard free energy changes and equilibrium constants are summarized below.

If K > 1, ΔGºrxn < 0 and the products are more abundant in the reaction mixture.

If K < 1, ΔGºrxn > 0 and the reactants are more abundant in the reaction mixture.

 K = 1, ΔGºrxn = 0 and the reactants and products are comparably abundant in the reaction mixture.

The standard free energy for a reaction change depends on temperature:

Eq3

The standard free energy change for a reaction is related to the equilibrium constant for a reaction:

Eq4

Combining the two expressions:

Eq5

Dividing both sides by RT gives

Eq6

Rearranging gives

Eq7

The equation takes the form of a straight line y = mx + b. A plot of ln K plotted against 1/yields a straight line with a slope of −ΔHºrxn/R and a y-intercept of ΔSºrxn/R. The equation can also be expressed in a two-point form:

Eq8

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