Der Gibbs Free Energy Calculator ist ein hervorragendes Werkzeug zur Abschätzung der Spontaneität einer Reaktion. Durch die Kombination der Konzepte Enthalpie und Entropie kann die Gibbs-Gleichung der freien Energie, auch Delta-G-Gleichung genannt, abgeleitet werden.
In diesem Artikel wird erläutert, wie die freie Gibbs-Energie berechnet wird, die beteiligten Einheiten werden erläutert und ein praktisches Beispiel für die Verwendung des Delta-G-Rechners bereitgestellt. Um die Phasenregel zu erkunden, sollten Sie die Verwendung des Gibbs-Phasenregelrechners in Betracht ziehen.
Spontane und nicht spontane Reaktionen
Die Gibbs-Energie, in Gleichungen durch G dargestellt, ist eine Kombination aus Enthalpie und Entropie. Das Vorzeichen der freien Gibbs-Energie gibt die Richtung von a an chemisch Reaktion, sofern die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
- Konstante Temperatur; Und
- Konstanter Druck.
Unter diesen Bedingungen ergibt das Ergebnis der Delta-G-Formel zwei Möglichkeiten:
- Wenn ΔG > 0, ist die Reaktion nicht spontan und erfordert externe Energie, wie z Hitze oder Photonen.
- Wenn ΔG < 0, ist die Reaktion spontan und erfolgt ohne externe Energiezufuhr.
Die Delta-G-Gleichung
Die Formel zur Berechnung der freien Gibbs-Energie (die Delta-G-Gleichung) lautet:
ΔG = ΔH − T × ΔS
where:
ΔG – Change in Gibbs free energy;
ΔH – Change in enthalpy;
ΔS – Change in entropy; and
T – Temperature in Kelvin.Das Zusammenspiel von Enthalpie und Entropie
Enthalpie (H) stellt eine Energieform dar, während Entropie (S) die Zufälligkeit von Molekülen misst. Systeme streben danach, minimale Enthalpie und maximale Entropie zu erreichen.
Die Enthalpie wird in J·mol-1 und die Entropie in J/K ausgedrückt. Die Gibbs-Gleichung für die freie Energie gibt Energieeinheiten an, typischerweise in Joule (J).
Verwendung des Gibbs-Rechners für freie Energie
Der Rechner verwendet die Formel, um Beispiele aus der Praxis zu lösen. Um es verwenden zu können, müssen Sie drei der vier Variablen kennen: ΔH, ΔS, T oder ΔG. Geben Sie die bekannten Daten ein und der Rechner liefert die vierte Variable.
Hier sind die verwendeten Formeln:
ΔG = ΔH − T × ΔS
ΔH = ΔG + T × ΔS
ΔS = (ΔH − ΔG) / TPraktische Anwendung des Delta-G-Rechners
Um die Nützlichkeit des Rechners zu demonstrieren, betrachten Sie eine Reaktion mit bekannten anfänglichen und endgültigen Enthalpie- und Entropiewerten, die bei 20 °C abläuft:
Reaktion: N2 + 3H2 = 2NH3
Anfangsenthalpie: H0 = 0; Endenthalpie: H1 = -92.22 kJ·mol-1; Anfangsentropie: S0 = 583.65 J/K; Endgültige Entropie: S1 = 384.9 J/K; und T = 20°C = 20 + 273.15 = 293.15 K.
Berechnung der Enthalpie- und Entropieänderung:
ΔH = -92.22 kJ·mol-1; und ΔS = -198.75 J/K = -0.19875 kJ/K.
Anwendung der Delta-G-Formel:
ΔG = ΔH − T× ΔS
ΔG = -92.22 - (-0.19875 × 293.15)
ΔG = -33.96 kJDas Ergebnis der Delta-G-Gleichung ist negativ, was darauf hinweist, dass die Reaktion spontan abläuft. Stellen Sie immer sicher, dass die Einheiten der freien Gibbs-Energie mit den Einheiten der Enthalpie und Entropie übereinstimmen.
Häufig gestellte Fragen
Folge diesen Schritten:
Bestimmen Sie die Reaktionstemperatur.
Ermitteln Sie die Entropieänderung, indem Sie den Anfangswert vom Endwert subtrahieren.
Berechnen Sie die Änderung der Enthalpie auf ähnliche Weise.
Multiplizieren Sie die Entropieänderung mit der Temperatur.
Subtrahieren Sie das Produkt von der Enthalpieänderung, um die freie Gibbs-Energie zu erhalten.
Im Gleichgewicht gibt es keine Nettoveränderung in allen Größen, von denen die freie Gibbs-Energie abhängt. Da alles konstant ist, steht keine Energie zur Verfügung Arbeit es sei denn, der Prozess wird gestört.
Die freie Gibbs-Energie gibt die maximale Energie an, die in einem System zur Ausführung von Arbeit zur Verfügung steht. Es hilft festzustellen, ob eine Reaktion spontan, nicht spontan oder im Gleichgewicht ist.
Wenn die freie Gibbs-Energie gleich Null ist, laufen die Vorwärts- und Rückwärtsprozesse gleich schnell ab, was bedeutet, dass sich das System im Gleichgewicht befindet. Die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte bleiben konstant.
Berechnen Sie die freie Gibbs-Energie für die Reaktion. Ein positiver Wert weist auf eine spontane (exergonische) Reaktion hin, während ein negativer Wert auf einen nichtspontanen (endergonischen) Vorgang hinweist.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Gibbs-Rechner für freie Energie ein wertvolles Werkzeug zur Vorhersage der Spontaneität einer chemischen Reaktion unter bestimmten Bedingungen ist. Durch das Verständnis und die Anwendung der Prinzipien der Enthalpie, der Entropie und der Delta-G-Gleichung können Sie bestimmen, ob eine Reaktion spontan, nicht spontan oder im Gleichgewicht verläuft. Mit diesem Wissen können Sie fundierte Entscheidungen in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen treffen. Darüber hinaus ist es durch die Berücksichtigung der Faktoren, die die Spontaneität einer Reaktion beeinflussen, möglich, die Bedingungen zu manipulieren, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.