У повсякденному житті та в лабораторіях трапляються спонтанні реакції та перетворення та інші, що не є спонтанними. Наприклад, все горіння є спонтанною реакцією, оскільки після запуску воно триватиме до тих пір, поки не буде витрачено все паливо або поки не зникне весь кисень.
З іншого боку, електроліз - це неспонтанний процес, при якому електрична енергія перетворюється на хімічну. Прикладом є електроліз хлориду натрію (NaCl). Коли над цією розплавленою сіллю пропускається електричний струм, відбуваються окисно-відновні реакції та утворення металевого натрію (Na(s)) та газоподібний хлор (Cl2 (г)). Якщо ми припинимо подавати електричний струм, реакція не буде тривати сама по собі, що свідчить про те, що вона не є спонтанною.
Спонтанність реакції можна виміряти за допомогою Рівняння Гіббса-Гельмгольца, наведені нижче:
Про те, що:
∆G = зміна вільної енергії;
∆H = зміна ентальпії;
T = температура в Кельвіні (завжди позитивна);
∆S = зміна ентропії.
Це рівняння отримало свою назву, оскільки воно було запропоноване американським фізиком Дж. Віллардом Гіббсом (1839-1903) та німецьким фізиком Германом Гельмгольцем (1821-1894).
Щоб краще зрозуміти, як це рівняння допомагає нам визначити спонтанність реакції, давайте коротко розглянемо кожне з понять, що беруть участь у ньому:
- ∆H (варіація ентальпії): Ентальпія (Н) - енергетичний вміст речовини. Наразі жоден спосіб його визначення не відомий. На практиці досягається вимірювання варіації ентальпії (∆H) процесу за допомогою калориметрів. Ця варіація становить величину енергія, яка була виділена або поглинена в процесі.
- ∆S (варіація ентропії):Ентропія (S) - це термодинамічна величина, яка вимірює ступінь розладу в системі.
Наприклад, при таненні льоду молекули переходять із твердого стану в рідкий стан, де спостерігається більша дезорганізація. Це означає, що в цьому процесі ентропія зросла (∆S> 0).
Не зупиняйтесь зараз... Після реклами є ще щось;)
При виробництві аміаку (NH3), 1 моль газоподібного азоту реагує з 3 молями газоподібного водню (тобто 4 моль молекул у реагентах), утворюючи 2 моль аміаку:
N2 (г) +3 H2 (г) → 2 NH3 (г)
Оскільки в цьому процесі кількість молекул у газовій фазі зменшується, дезорганізація зменшується, а це означає, що ентропія також зменшується (∆S <0).
- ∆G (вільна енергія): Безкоштовна енергія або Безкоштовна енергія Гіббса (оскільки це було запропоновано лише цим вченим у 1878 р.) є корисна енергія системи, яка використовується для роботи.
Система має глобальну енергію, але лише частина цієї енергії буде використана для роботи, це називається вільною енергією Гіббса, що символізується G.
За словами Гіббса, процес вважається спонтанним, якщо він виконує роботу, тобто якщо G зменшується. У цьому випадку кінцевий стан перетворення буде стабільнішим, ніж початковий, коли ∆G <0.
Виходячи з цього, можна зробити наступний висновок:
Ми також можемо побачити, чи буде процес спонтанним, дивлячись на алгебраїчний знак ∆H і ∆S у рівнянні Гіббса-Гельмгольца:
Дженніфер Фогача
Закінчив хімію
Хотіли б ви посилатися на цей текст у школі чи академічній роботі? Подивіться:
FOGAÇA, Дженніфер Роша Варгас. "Вільна енергія Гіббса"; Бразильська школа. Доступно: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/energia-livre-gibbs.htm. Доступ 28 червня 2021 року.
