V vsakdanjem življenju in v laboratorijih pride do spontanih reakcij in transformacij in drugih, ki niso spontane. Na primer, celotno zgorevanje je spontana reakcija, saj se bo po zagonu nadaljevalo, dokler ne porabimo vsega goriva ali dokler ne izgine ves kisik.
Po drugi strani pa je elektroliza ne-spontani proces, pri katerem se električna energija pretvori v kemično energijo. Primer je elektroliza natrijevega klorida (NaCl). Ko električni tok prehaja preko te staljene soli, pride do redoks reakcij in tvorbe kovinskega natrija (Na(s)) in klorov plin (Cl2 (g)). Če nehamo teči električni tok, se reakcija ne bo nadaljevala sama od sebe, kar kaže, da ni spontana.
Spontanost reakcije lahko izmerimo s pomočjo Gibbs-Helmholtzova enačba, spodaj:
Na čem:
∆G = sprememba proste energije;
∆H = sprememba entalpije;
T = temperatura v Kelvinu (vedno pozitivna);
∆S = sprememba entropije.
Ta enačba dobi ime, ker jo je predlagal ameriški fizik J. Willard Gibbs (1839-1903) in nemški fizik Hermann Helmholtz (1821-1894).
Da bi bolje razumeli, kako nam ta enačba pomaga določiti spontanost reakcije, na kratko preglejmo vsak koncept, ki je v njej vključen:
- ∆H (sprememba entalpije): Entalpija (H) je vsebnost energije v snovi. Zaenkrat ni znan način, kako bi ga ugotovili. V praksi se doseže merjenje variacije entalpije (∆H) postopka z uporabo kalorimetrov. Ta sprememba je znesek energija, ki se je v procesu sprostila ali absorbirala.
- ∆S (sprememba entropije):Entropija (S) je termodinamična količina, ki meri stopnjo motnje v sistemu.
Na primer, pri taljenju ledu se molekule premaknejo iz trdnega v tekoče stanje, kjer je večja neorganiziranost. To pomeni, da se je v tem postopku entropija povečala (∆S> 0).
Ne ustavi se zdaj... Po oglaševanju je še več;)
Pri proizvodnji amoniaka (NH3), 1 mol dušikovega plina reagira s 3 moli vodikovega plina (to je 4 moli molekul v reaktantih), pri čemer nastane 2 mola amoniaka:
N2 (g) +3 H2 (g) → 2 NH3 (g)
Ker se v tem procesu število molekul v plinski fazi zmanjšuje, se je neorganiziranost zmanjšala, kar pomeni, da se je zmanjšala tudi entropija (∆S <0).
- ∆G (prosta energija): Brezplačna energija oz Gibbsova prosta energija (ker jo je leta 1878 predlagal le ta znanstvenik) je koristna energija sistema, ki se uporablja za delo.
Sistem ima globalno energijo, vendar bo le del te energije porabljen za delo, temu pravimo Gibbsova prosta energija, ki jo simbolizira G.
Po mnenju Gibbsa postopek se šteje za spontan, če opravlja delo, torej če se G zmanjša. V tem primeru bo končno stanje transformacije stabilnejše od začetnega, ko je ∆G <0.
Na podlagi tega lahko sklepamo naslednje:
Ali bo postopek spontan, lahko ugotovimo tudi, če pogledamo algebrski znak ∆H in ∆S v Gibbs-Helmholtzovi enačbi:
Avtorica Jennifer Fogaça
Diplomiral iz kemije
Bi se radi sklicevali na to besedilo v šolskem ali akademskem delu? Poglej:
FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. "Gibbsova prosta energija"; Brazilska šola. Na voljo v: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm. Dostopno 28. junija 2021.
