If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 11

გაკვეთილი 4: გიბსის თავისუფალი ენერგია

გიბსის თავისუფალი ენერგია და სპონტანურობა

როგორ გვეხმარება თერმოდინამიკის მეორე კანონი იმის განსაზღვრაში, იქნება თუ არა რეაქცია სპონტანური; გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილების მიხედვით იმისი წინასწარმეტყველება, პირდაპირ წავა რეაქცია თუ შებრუნებულად (თუ იქნება წონასწორობაში). 

საკვანძო საკითხები

  • თერმოდინამიკის მეორე კანონის ნებისმიერი სპონტანური პროცესი ყოველთვის ზრდის სამყაროს ენტროპიას: ΔSსამყარო=ΔSსისტემა+ΔSგარემო>0
  • მუდმივი ტემპერატურისა და წნევის პირობებში, გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება, როგორც ΔG=ΔHTΔS.
  • როცა ΔG უარყოფითია, პროცესი წარიმართება სპონტანურად და მას დავუძახებთ ეგზერგონულს.
  • პროცესის სპონტანურობა შეიძლება ტემპერატურაზე იყოს დამოკიდებული.

სპონტანური პროცესები

ქიმიაში, სპონტანური პროცესები ის პროცესებია, რომელთა წარმართვისთვისაც გარედან ენერგიის დამატება საჭირო არაა. სპონტანური პროცესი შეიძლება წარიმართოს ჩქარა ან ნელა, რადგანაც სპონტანურობა დაკავშირებული არაა კინეტიკასთან ან რეაქციის სიჩქარესთან. ამისი კლასიკური მაგალითია ბრილიანტის ფორმაში მყოფი ნახშირბადის გრაფიტის ფორმაში მყოფ ნახშირბადად გარდაქმნა, რომლის რეაქციაც ასე დაიწერება:
C(,ბრილიანტი)C(s,გრაფიტი)
მარცხნივ, რამდენიმე ბრჭყვიალა დამუშავებული ბრილიანტი. მარჯვნივ, შავი გრაფიტული ნახშირბადების ნატეხი.
ოდესმე გაგიგიათ გამოთქმა „გრაფიტი სამუდამოა“? თუ საკმარისად დიდი ხანი დავიცდით, ვნახავთ, როგორ გარდაიქმნება ბრილიანტი ნახშირბადის მეტად სტაბილურ ფორმად, გრაფიტად. სურათი. წყარო: Wikipedia, CC BY-SA 3,0
ამ რეაქციას იმდენად დიდი ხანი სჭირდება, რომ ჩვეულებრივი ადამიანების მიერ დაკვირვება შეუძლებელია. ამიტომაც გვაქვს გამოთქმა, „ბრილიანტები სამუდამოა“. თუ საკმარისად დიდი ხანი დავიცდიდით, ვნახავდით, რომ ბრილიანტის ნახშირბადები თავიანთ მეტად სტაბილურ, მაგრამ ნაკლებად ბრჭყვიალა ფორმაში - გრაფიტში გადავლენ.
ასევე უნდა გვახსოვდეს, რომ სპონტანური პროცესები შეიძლება იყოს ეგზოთერმული ან ენდოთერმული. ეს კიდევ ერთი გზაა იმის სათქმელად, რომ სპონტანურობა აუცილებლად არ უკავშირდება პროცესის ენთალპიის ცვლილებას, ΔH-ს.
როგორ განვსაზღვრავთ, წარიმართება თუ არა პროცესი სპონტანურად? მოკლე, მაგრამ ცოტათი გართულებული პასუხი ამ კითხვაზე არის თერმოდინამიკის მეორე კანონის გამოყენებით. თერმოდინამიკის მეორე კანონის თანახმად, ნებისმიერი სპონტანური პროცესი სამყაროში ენტროპიას ზრდის. ამის მათემატიკურად გამოსახვა შემდეგნაირად შეიძლება:
ΔSსამყარო=ΔSსისტემა+ΔSგარემო>0        სპონტანური პროცესისთვის
მშვენიერია! ახლა უნდა გავზომოთ მთლიანი სამყაროს ენტროპიის ცვლილება, არა? სამწუხაროდ, ზემოთ აღწერილი ფორმით მეორე კანონის გამოყენება პრაქტიკაში, ცოტა არ იყოს, რთულია. ბოლოს და ბოლოს, ქიმიკოსები ძირითადად დაინტერესებულნი არიან ჩვენი სისტემის შიგნით მიმდინარე ცვლილებებში, რაც შეიძლება იყოს ქიმიურ ჭიქაში მიმდინარე რეაქცია. აუცილებელია მთლიანი სამყაროც გამოვიკვლიოთ? (ქიმიკოსები ზარმაცები ნამდვილად არ არიან, მაგრამ ამას საერთოდ როგორ შევძლებდით?)
საბედნიეროდ, ქიმიკოსებს სამყაროს ენტროპიის ცვლილების განსაზღვრა ახალი თერმოდინამიკური ერთეულის, გიბსის თავისუფალი ენერგიის, გამოყენებით შეუძლიათ.

გიბსის თავისუფალი ენერგია და სპონტანურობა

როდესაც პროცესი სპონტანურად მიმდინარეობს მუდმივ ტემპერატურა T-ზე და P წნევაზე, შეგვიძლია, თერმოდინამიკის მეორე კანონი სხვანაირად გამოვსახოთ და განვსაზღვროთ ახალი სიდიდე, რომელსაც გიბსის თავისუფალი ენერგია ჰქვია:
გიბსის თავისუფალი ენერგია=G=HTS
სადაც H არის ენთალპია, T არის ტემპერატურა (კელვინებში K) და S არის ენტროპია. გიბსის თავისუფალი ენერგია წარმოდგენილია G-თი და, ჩვეულებრივ, კჯმოლ-rxn ერთეულებში გამოისახება.
გიბსის თავისუფალი ენერგიის გამოყენებით პროცესის სპონტანურობის განსაზღვრისთვის მხოლოდ G-ს ცვლილება გვაინტერესებს და არა — აბსოლუტური მნიშვნელობა. რაიმე პროცესში გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილება იწერება, როგორც ΔG, რაც საბოლოო ნივთიერებების თავისუფალ ენერგიას, Gსაბოლოო, და საწყისი ნივთიერებების თავისუფალ ენერგიას, Gსაწყისი, შორის სხვაობაა.
ΔG=GსაბოლოოGსაწყისი
მუდმივ T-ზე და მუდმივ P-ზე მიმდინარე პროცესისთვის გიბსის თავისუფალი ენერგიის განტოლება შეგვიძლია ჩვენი სისტემის ენთალპიის ცვლილების (ΔHსისტემა) და ენტროპიის ცვლილების (ΔSსისტემა) პირობებში გამოვსახოთ:
ΔGსისტემა=ΔHსისტემაTΔSსისტემა
ეს რეაქცია შეიძლება შეგხვდეთ იმ ინდექსების გარეშე, რომლებიც აკონკრეტებენ, რომ თერმოდინამიკური მაჩვენებლები გამოსახულია სისტემისთვის და არა — გარემოსთვის ან სამყაროსთვის, მაგრამ მაინც გასაგებია, რომ ΔH და ΔS ჩვენთვის საინტერესო სისტემისთვისაა მოცემული. ეს განტოლება საკმაოდ აღმაფრთოვანებელია, რადგანაც ეს გვაძლევს საშუალებას, განვსაზღვროთ გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილება ენთალპიის ცვლილების ΔH და ენტროპიის ცვლილების ΔS გამოყენებით. შეგვიძლია ΔG-ს ნიშანი გამოვიყენოთ იმისთვის, რომ გავიგოთ, სპონტანურად წარიმართება პირდაპირი რეაქცია, შებრუნებული რეაქცია თუ რეაქცია წონასწორობაში იმყოფება.
  • როცა ΔG<0-ზე, პროცესი ეგზერგონულია და რეაქცია წარიმართება სპონტანურად პირდაპირი მიმართულებით და წარმოიქმნება მეტი საბოლოო ნივთიერება.
  • როცა ΔG>0, პროცესი ენდერგონულია და არ წარიმართება სპონტანურად პირდაპირი მიმართულებით, ამის მაგივრად, პროცესი სპონტანურად მიმდინარეობს შებრუნებული მიმართულებით და წარმოიქმნება მეტი თავდაპირველი ნივთიერება.
  • როცა ΔG=0 სისტემა წონასწორობაშია და საწყისი და საბოლოო ნივთიერებათა კონცენტრაციები მუდმივი იქნება.

გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილების გამოთვლა

მიუხედავად იმისა, რომ ΔG ტემპერატურაზეა დამოკიდებული, მიღებულია, ვივარაუდოთ, რომ ΔH და ΔS მნიშვნელობები ტემპერატურაზე დამოკიდებულნი არ არიან, თუ რეაქცია ფაზათა ცვლილებას არ მოიცავს. ეს ნიშნავს, რომ, თუ ვიცით ΔH და ΔS, მათი მნიშვნელობების გამოყენებით გამოვითვლით ΔG-ს ნებისმიერ ტემპერატურაზე. ჩვენ ამ სტატიაში დეტალურად არ ვილაპარაკებთ ΔH-ისა და ΔS-ის გამოთვლაზე, მაგრამ მათი გამოთვლისთვის ბევრი მეთოდი არსებობს, მაგალითად:
როცა პროცესი სტანდარტულ პირობებში მიმდინარეობს (ყველა აირი იქნებოდა 1ბარ წნევაზე, ყველა კონცენტრაცია იქნებოდა 1M, და T=25C), ჩვენ ΔG-ს გამოთვლა ასევე წარმოქმნის სტანდარტული თავისუფალი ენერგიის, ΔfG-ის, გამოყენებითაც შეგვიძლია.
პრობლემის გადაჭრის რჩევა: მნიშვნელოვანია, ყურადღება მიაქციოთ ერთეულებს, როცა ითვლით ΔG-ს ΔH-დან და ΔS-დან! მიუხედავად იმისა, რომ ΔH ხშირად მოცემულია კჯმოლ-რეაქცია-ში, ΔS ხშირად მოცემულია მოლ-რეაქციაK-ში. ისინი ერთმანეთისგან 1000-ჯერ განსხვავდებიან!!

როდისაა ΔG უარყოფითი?

თუ ჩვენს განტოლებას დეტალებში განვიხილავთ, ვნახავთ, რომ ΔGსისტემა დამოკიდებულია 3 რამეზე:

ΔGსისტემა=ΔHსისტემაTΔSსისტემა
  • ენთალპიის ცვლილება ΔHსისტემა
  • ტემპერატურა T
  • ენტროპიის ცვლილება ΔSსისტემა
ამ განტოლებაში ტემპერატურა ყოველთვის დადებითია (ან ნულის ტოლი), რადგანაც მისი ერთეულია K. აქედან გამომდინარე, ჩვენი განტოლების მეორე ნაწილს, TΔSსისტემა, ყოველთვის იგივე ნიშანი ექნება, რაც ΔSსისტემა-ს. როცა პროცესს აქვს უარყოფითი ΔGსისტემა, შეგვიძლია, შემდეგი დასკვნები გავაკეთოთ:
  • როცა პროცესი ეგზოთერმულია ((ΔHსისტემა<0) და სისტემის ენტროპია იზრდება (ΔSსისტემა>0), ΔGსისტემა-ს ნიშანი უარყოფითია ყველა ტემპერატურაზე, ასე რომ, პროცესი ყოველთვის სპონტანურია.
  • როცა პროცესი ენდოთერმულია, ΔHსისტემა>0 და სისტემის ენტროპია მცირდება, ΔSსისტემა<0, ΔG-ს ნიშანი ყველა ტემპერატურაზე დადებითია, ასე რომ, პროცესი არასდროსაა სპონტანური.
ΔHსისტემა-ის და ΔSსისტემა-ის სხვა კომბინაციების შემთხვევებში პროცესის სპონტანურობა ტემპერატურაზეა დამოკიდებული.
  • ეგზოთერმული რეაქციები (ΔHსისტემა<0), რომლებიც სისტემის ენტროპიას ამცირებენ (ΔSსისტემა<0), დაბალ ტემპერატურაზე სპონტანურად მიმდინარეობენ.
  • ენდოთერმული რეაქციები (ΔHსისტემა>0), რომლებიც სისტემის ენტროპიას ზრდიან (ΔSსისტემა>0), სპონტანურად მიმდინარეობენ მაღალ ტემპერატურაზე.
შეგიძლიათ, გაიხსენოთ რომელიმე რეაქცია თქვენი ყოველდღური ცხოვრებიდან, რომელიც სპონტანურად მიმდინარეობს რაიმე კონკრეტულ ტემპერატურაზე და არა — ყველაზე?

მაგალითი 1: ყინულის დნობის ΔG-ს გამოთვლა

წყალში არსებული სამი ყინულის კუბის დნობა სარკისებრ ზედაპირზე.
რა ტემპერატურაზე (თუ რომელიმეზე) არის ყინულის დადნობა სპონტანური პროცესი? ყინულის კუბიკების ფოტო წყარო: flickr, CC BY 2,0.
მოდით, განვიხილოთ მაგალითი, რომელიც პროცესის სპონტანურობაზე ტემპერატურის გავლენას განიხილავს. წყლის დნობის ენთალპიას და ენტროპიას შემდეგი მნიშვნელობები აქვს:
ΔდნობაH=6,01კჯმოლ-rxn
ΔდნობაS=22,0მოლ-rxnK
რა არის ყინულის დნობის ΔG 20C-ზე?
ეს პროცესი გულისხმობს წყლის მყარიდან თხევად მდგომარეობაში გადასვლას:
H2O()H2O()
ამ ამოცანისთვის შეგვიძლია, გამოვიყენოთ შემდეგი განტოლება, რომ გამოვთვალოთ ΔGrxn:
ΔG=ΔHTΔS
საბედნიეროდ, ამ პროცესის ΔH და ΔS უკვე ვიცით! უნდა შევამოწმოთ ჩვენი ერთეულები, ანუ, უნდა დავრწმუნდეთ, რომ ენტროპიას და ენთალპიას ენერგიის ერთი და იგივე ერთეულები აქვთ და ტემპერატურა კელვინებში უნდა გადავიყვანოთ:
T=20C+273=293K
თუ ჩვენს განტოლებაში ΔH-ის, T-ს, და ΔS-ის მნიშვნელობებს შევიტანთ, მივიღებთ:
ΔG=ΔHTΔS=6,01კჯმოლ-rxn(293K)(0,022კჯმოლ-rxnK)=6,01კჯმოლ-rxn6,45კჯმოლ-rxn=0,44კჯმოლ-rxn
რადგანაც ΔG უარყოფითია, ვიწინასწარმეტყველებთ, რომ ყინული 20C-ზე სპონტანურად დნება. თუ თქვენთვის ეს შედეგი დამაჯერებელი არაა, სჯობს, თქვენით შეამოწმოთ!
ცოდნის შემოწმება: რა არის ყინულის დნობის ΔG 10C?-ზე?

მოდით, წინასწარ ვნახოთ, კიდევ სად შეიძლება ΔG-ს გამოყენება:

შეგეძლოს, გამოითვალო ΔG, ძალიან გამოსადეგია, როცა ლაბორატორიაში ექსპერიმენტის მოფიქრებას ცდილობ! ჩვენ ხშირად გვჭირდება, ვიცოდეთ, თუ რომელი მიმართულებით წარიმართება რეაქცია კონკრეტულ ტემპერატურაზე, განსაკუთრებით მაშინ, თუ კონკრეტული პროდუქტის მიღება გვსურს. დიდი ალბათობით, გვინდა ხოლმე, რომ რეაქცია პირდაპირი მიმართულებით წარიმართოს (მიმართულება, რომლის შედეგადაც საბოლოო ნივთიერებას ვიღებთ), მაგრამ რთულია, შეეწინააღმდეგო დადებით ΔG-ს!
თერმოდინამიკა ქიმიის სხვა სფეროებსაც უკავშირდება, მაგალითად:

შეჯამება

  • თერმოდინამიკის მეორე კანონის მიხედვით, სპონტანური პროცესები ყოველთვის ზრდიან სამყაროს ენტროპიას: ΔSსამყარო=ΔSსისტემა+ΔSგარემო>0
  • მუდმივ ტემპერატურასა და წნევაზე გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილება გამოისახება შემდეგნაირად: ΔG=ΔHTΔS.
  • როცა ΔG უარყოფითია, პროცესი წარიმართება სპონტანურად და მას დავუძახებთ ეგზერგონულს.
  • ΔH-ის და ΔS-ს ნიშნების მიხედვით, პროცესის სპონტანურობა შეიძლება შეიცვალოს სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

სცადე!

შემდეგი რეაქციისთვის ΔHrxn=120კჯმოლ-rxn and ΔSrxn=150მოლ-rxnK:
2NO()+O2()2NO2()
რა ტემპერატურაზე წარიმართება ეს რეაქცია სპონტანურად?
შენიშვნა: გახსოვდეთ, შეგვიძლია, ვივარაუდოთ, რომ ΔH-ის და ΔS-ს მნიშვნელობები ტემპერატურაზე დამოკიდებული არაა.
აირჩიეთ 1 პასუხი:

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.