17.8
Standart Serbest Enerji Değişimlerinin Hesaplanması
1 bar basınçlık ve 298 K'lik standart koşullarda meydana gelen bir reaksiyon için serbest enerji değişimine standart serbest enerji değişimi denir. Se…
Standart koşul altında meydana gelen bir kimyasal reaksiyon için standart serbest enerji değişimi üç yoldan biriyle hesaplanabilir. İlk yöntem, reaksiyonun standart delta G denklemini kullanır. Kalsiyum oksit ve karbondioksitten kalsiyum karbonat oluşumunu düşünün.
Reaksiyonun standart entropi değişimi, reaksiyondaki bileşiklerin oluşum ısısından hesaplanabilir ve standart entropi değişimi, standart molar entropilerinden hesaplanabilir. Referans tablolardan alınan değerler kullanılarak, reaksiyon için standart entalpi değişimi ve standart entropi değişimi belirlenebilir. Bu değerleri standart serbest enerjideki değişim denklemine koyarsak, 298 kelvin'deki reaksiyonun standart delta G'si 130, 7×10³ jul'e eşittir.
İkinci yöntemde, bir reaksiyonun standart serbest enerjisindeki değişim, ürünlerin serbest oluşum enerjilerinin stokiyometrik katsayıları ile çarpılan toplamının stokiyometrik katsayıları ile çarpımı arasındaki farktan hesaplanır ve reaktanların serbest oluşum enerjilerinin toplamı stokiyometrik katsayıları ile çarpılır. Örneğin, iki mol hidrojen klorür gazı oluşturmak için hidrojen ve klor gazları arasındaki reaksiyonu ele alalım. Oluşum entalpisi gibi, saf bir elementin standart serbest oluşum enerjisi sıfırdır.
Bu nedenle, hidrojen ve klor gazlarının oluşumunun serbest enerjileri sıfır iken, hidrojen klorür gazınınki 95, 3 kilojul'dür. Yani, bu reaksiyonun serbest enerjisi, hidrojen klorür gazının serbest oluşum enerjisinin 2 katına veya 190, 6 kilojul'e eşittir. Hess yasasından, kademeli bir reaksiyon için, net entalpi değişiminin her adımın entalpilerinin toplamından hesaplanabileceğini hatırlayın.
Üçüncü yöntem, benzer bir şekilde bir reaksiyon için net serbest enerji değişimini hesaplar. Bilinen standart serbest enerjilerle iki aşamada gerçekleştirilebilen metalik çinko ve kükürt dioksit gazı üretmek için çinko sülfidin yanmasını düşünün. Reaksiyonların serbest enerji değişikliklerini eklemek, genel bir delta G 98, 8 kilojul verir.
Adım 1'in spontan olmadığını unutmayın. Adım 2'deki spontan reaksiyon ile birleştirildiğinde, net reaksiyon negatif bir delta G'ye sahiptir ve bu nedenle spontan olur.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the three methods for calculating standard free energy change?
The three methods are: (1) using standard enthalpy and entropy values with the ΔG° equation, (2) calculating from standard free energies of formation of products and reactants, and (3) applying Hess's law principles by summing free energy changes of stepwise reactions. Each method yields the same result since free energy is a state function.
Q2: How do you calculate standard free energy change from enthalpy and entropy?
Determine the standard enthalpy change (ΔH°) from heats of formation and standard entropy change (ΔS°) from standard molar entropies using reference tables. Substitute these values into ΔG° = ΔH° − TΔS° at 298 K. For example, calcium carbonate formation yields ΔG° = −130.7 × 10³ J using this approach.
Q3: Why is the standard free energy of formation zero for pure elements?
By definition, the standard free energy of formation equals zero for elemental substances under standard state conditions because there is no net formation process—the element already exists in its standard state. This convention simplifies calculations, as only compounds contribute to the overall free energy change.
Q4: How do you use free energies of formation to find the standard free energy change of a reaction?
Calculate the sum of free energies of formation of products multiplied by their stoichiometric coefficients, then subtract the sum of free energies of formation of reactants multiplied by their coefficients. For hydrogen and chlorine forming hydrogen chloride, ΔG° = 2(−95.3 kJ) − 0 = −190.6 kJ.
Q5: What does a negative standard free energy change indicate about a reaction?
A negative ΔG° indicates the reaction is spontaneous under standard conditions and will proceed forward. Conversely, a positive ΔG° means the reaction is nonspontaneous. Coupling a nonspontaneous reaction with a spontaneous one can yield an overall negative ΔG°, making the combined process thermodynamically favorable.
Q6: How can Hess's law be applied to calculate free energy changes for stepwise reactions?
For a reaction carried out in multiple steps, sum the standard free energy changes of each individual step to obtain the overall ΔG°. This works because free energy is a state function. For zinc sulfide combustion in two steps with known ΔG° values, the net reaction yields ΔG° = −98.8 kJ.
Q7: What are standard state conditions for calculating free energy changes?
Standard state conditions are defined as 1 bar pressure and 298 K (25°C) temperature. The free energy change calculated under these conditions is called the standard free energy change (ΔG°). These standardized conditions allow chemists to use widely available thermodynamic data tables for consistent calculations.