ギブズ自由エネルギー計算機: 反応の自発性の予測

ギブズ自由エネルギー計算機は、反応の自発性を推定するための優れたツールです。エンタルピーとエントロピーの概念を組み合わせることで、デルタ G 方程式としても知られるギブスの自由エネルギー方程式を導き出すことができます。

この記事では、ギブスの自由エネルギーの計算方法を説明し、関連する単位について説明し、デルタ G 計算機の使用例を示します。位相規則を調べるには、ギブスの位相規則計算ツールの使用を検討してください。

自発的反応と非自発的反応

方程式の G で表されるギブズ エネルギーは、エンタルピーとエントロピーの組み合わせです。ギブスの自由エネルギーの符号は、エネルギーの方向を示します。 化学物質 以下の条件が満たされた場合に、反応が起こります。

1. 一定の温度。そして
2. 一定の圧力。

これらの条件下では、デルタ G の式の結果から 2 つの可能性が得られます。

• ΔG > 0 の場合、反応は非自発的であり、次のような外部エネルギーが必要です。 熱 または光子。
• ΔG < 0 の場合、反応は自発的であり、外部からのエネルギー入力がなくても発生します。

デルタ G 方程式

ギブスの自由エネルギーを計算する式 (デルタ G 方程式) は次のとおりです。

ΔG = ΔH − T × ΔS

where:

ΔG – Change in Gibbs free energy;
ΔH – Change in enthalpy;
ΔS – Change in entropy; and
T – Temperature in Kelvin.

エンタルピーとエントロピーの相互作用

エンタルピー (H) はエネルギーの形態を表し、エントロピー (S) は分子のランダム性を測定します。システムは、最小のエンタルピーと最大のエントロピーを達成しようと努めます。

エンタルピーは J・mol-1 で表され、エントロピーは J/K で表されます。ギブズの自由エネルギー方程式は、通常はジュール (J) で表されるエネルギーの単位を求めます。

ギブズ自由エネルギー計算ツールの使用

この計算機は、実際の例を解くために公式を使用します。これを使用するには、4 つの変数のうち 3 つ (ΔH、ΔS、T、または ΔG) を知っている必要があります。既知のデータを入力すると、計算機が 4 番目の変数を提供します。

使用される公式は次のとおりです。

ΔG = ΔH − T × ΔS
ΔH = ΔG + T × ΔS 
ΔS = (ΔH − ΔG) / T

デルタG計算機の実用化

計算機の有用性を実証するために、20°C で起こる、既知の初期および最終エンタルピーおよびエントロピー値を持つ反応を考えてみましょう。

反応: N2 + 3H2 = 2NH3

初期エンタルピー: H0 = 0;最終エンタルピー: H1 = -92.22 kJ・mol-1;初期エントロピー: S0 = 583.65 J/K;最終エントロピー: S1 = 384.9 J/K; T = 20°C = 20 + 273.15 = 293.15 K。

エンタルピーとエントロピーの変化を計算する:

ΔH = -92.22 kJ・mol-1; ΔS = -198.75 J/K = -0.19875 kJ/K。

デルタ G の公式を適用すると、次のようになります。

ΔG = ΔH − T× ΔS

ΔG = -92.22 - (-0.19875 × 293.15)

ΔG = -33.96 kJ

デルタ G 方程式の結果は負であり、反応が自発的であることを示しています。ギブスの自由エネルギーの単位がエンタルピーおよびエントロピーの単位と一致していることを常に確認してください。

よくある質問

まとめ

結論として、ギブズ自由エネルギー計算ツールは、特定の条件下での化学反応の自発性を予測するための貴重なツールです。エンタルピー、エントロピー、デルタ G 方程式の原理を理解して適用することで、反応が自発的であるか、非自発的であるか、または平衡にあるのかを判断できます。この知識があれば、さまざまな科学および産業用途において情報に基づいた意思決定を行うことができます。さらに、反応の自発性に影響を与える要因を考慮することで、条件を操作して望ましい結果を達成することができます。