17.9:

17.9: تغيرات الطاقة الحرة للحالات الغير قياسية

Free Energy Changes for Nonstandard States

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

17.8: Calculating Standard Free Energy Changes

17.10: Free Energy and Equilibrium

11,357 Views

•

03:25 min

•

September 24, 2020

Overview

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:

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

يُشتق حاصل قسمة التفاعل مباشرةً من القياس المتكافئ للمعادلة المتوازنة

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

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

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:

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:

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

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

في هذه الحالة، يتقدم التفاعل نحو التوازن في الاتجاه العكسي. تركيز المنتج والبسط الحسابي Q_c يتناقصان بمرور الوقت، وتركيزات المادة المتفاعلة والمقام الحسابي Q_c 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.

Transcript

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.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for

Tags

تغيرات الطاقة الحرة ، ظروف الحالة القياسية ، حاصل التفاعل ، تركيزات المتفاعلة ، معامل القياس المتكافئ ، التفاعلات الغازية ، الضغوط الجزئية ، ثابت الغاز العالمي ، درجة الحرارة ، تغير الطاقة الحرة في الحالة القياسية ، تكوين خليط التفاعل ، تخليق غاز الأمونيا