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17.10:

自由エネルギー及び平衡

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Chemistry
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Free Energy and Equilibrium

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Both the equilibrium constant and the standard free energy change can be used to determine whether a reaction is product or reactant favored. For any reaction mixture composition, the ΔG for the reaction is the sum of the standard free energy and RT times the natural log of the reaction quotient. When the reactants and products are at equilibrium, the free energy change is zero, and the reaction quotient equals the equilibrium constant. So the standard free energy change equals −RT ln K. If ΔG naught is less than zero, ln K is positive, meaning K is greater than 1. In this case, product formation is favored at equilibrium. The larger the equilibrium constant, the more negative the free energy.  Take, for example, the breakdown of dinitrogen tetroxide at 298 kelvin, in which K is 1.34 × 1017.  Substituting the known values into the equation, the standard free energy for the reaction equals −98 kJ/mole, and product formation is favored. Conversely, if ΔG naught is greater than zero, ln K is negative, meaning K is less than 1 and the reverse direction of the reaction is favored. Consider the breakdown of sulfur trioxide gas at 298 kelvin, which has a ΔG naught of 141.6 kJ/mole. The equation can be rearranged so ln K equals negative ΔG over RT. Substituting the known values into the equation, and raising e to the power of the result, K is very small—indicating that the reactant is favored. Notably, if the temperature varies, the equilibrium constant will also change. The temperature dependence of the equilibrium constant can be derived from the equation that directly relates K to the ΔG naught for the reaction. The ΔG naught can be replaced by the standard enthalpy minus temperature times the standard entropy. Dividing both sides by negative RT yields ln K equals negative ΔH over RT plus ΔS over R. This equation is in the form of a straight line where the natural log of K can be plotted against the inverse of the temperature in kelvins with a slope of negative ΔH over R and a y-intercept of ΔS over R. If the values of K are measured at two slightly different temperatures, then this graph can also be used to calculate the change in enthalpy, assuming it remains constant over a limited temperature range.

17.10:

自由エネルギー及び平衡

ある過程の自由エネルギー変化は、その過程の駆動力の指標と見なすことができます。負の値の ΔG はプロセスの順方向への駆動力を表し、正の値はプロセスの逆方向への駆動力を表します。ΔGrxnが0のとき、順方向と逆方向の駆動力は等しく、反応過程は両方向に同じ速度で進行する(反応系は平衡状態にある)。

反応商Qは系の質量作用を表し、その値は平衡に達するために反応が進行する方向を判断することに使用できることを思い出しましょう。Qが平衡定数Kよりも小さい場合、反応は平衡に達してQ=Kになるまで順方向に進行します。逆に、Q > Kの場合、平衡に達するまで逆方向に進行します。

非標準的な条件(1 bar以外の圧力、1 mol/L以外の濃度)で反応物と生成物が存在するプロセスの自由エネルギー変化は、次式に従って標準的な自由エネルギー変化と関連しています。

Eq1

Rは気体定数(8.314 J/K mol)、Tはケルビン単位の絶対温度、Qは反応商です。気相平衡では、圧力に基づく反応商Qpが用いられます。凝縮相の平衡では、濃度に基づく反応商、Qcが用いられます。この式は、任意の条件下でのプロセスの自発性を予測するために使用することができます。

平衡状態にある系では、Q = K and ΔGrxn = 0であり、前の式は次のように書くことができます。

Eq2

この式は、これらの2つの重要な熱力学的特性の間に便利な関係性を与え、標準自由エネルギー変化から平衡定数を導き出したり、逆に標準自由エネルギー変化から平衡定数を導き出すために使用することができます。標準自由エネルギー変化と平衡定数の関係を以下にまとめた。

K > 1の場合、 ΔGºrxn < 0となり、反応混合物中にて生成物の比率が大きくなります。

K < 1の場合、 ΔGºrxn > 0となり、反応混合物中にて反応物の比率が大きくなります。

 K = 1の場合、 ΔGºrxn = 0となり、反応物と生成物が反応混合物中に等量存在します。

反応変化の標準自由エネルギーは、温度に依存します。

Eq3

反応の標準自由エネルギー変化は、反応の平衡定数と関連しています。

Eq4

2つの式を組み合わせると、

Eq5

両辺をRTで割ると、次のようになります。

Eq6

式を再整理すると、

Eq7

式は、直線y = mx + bの形をとります。ln Kを1/に対してプロットすると、傾きが −ΔHºrxn/R、y切片が ΔSºrxn/Rとなる直線が得られます。また、この方程式は2点を用いた直線の式で表すこともできます。

Eq8

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy.