Mi a Gibbs-mentes energia?

Valószínűleg az első kémiai reakciók, amelyeket az iskolában tanulmányoztál, egy irányba mozdultak el; például szódabikarbónába öntött ecetet "vulkán" készítéséhez. A valóságban a legtöbb reakciót egy mindkét irányba mutató nyíllal kell illusztrálni, vagyis a reakció mindkét irányba mehet. A rendszer Gibbs-mentes energiájának megállapítása módot kínál arra, hogy meghatározzuk, hogy az egyik nyíl sokkal nagyobb-e, mint a másik; vagyis a reakció szinte mindig egy irányba megy, vagy mindkettő közel azonos méretű? Ez utóbbi esetben a reakció ugyanolyan valószínű, hogy egyik irányba megy, mint a másikba. A Gibbs-szabad energia kiszámításának három kritikus tényezője az entalpia, az entrópia és a hőmérséklet.

Az entalpia annak mértéke, hogy mennyi energiát tartalmaz egy rendszer. Az entalpia elsődleges összetevője a belső energia, vagy a molekulák véletlenszerű mozgásából származó energia. Az entalpia sem a molekuláris kötések potenciális energiája, sem a mozgó rendszer kinetikus energiája. A szilárd anyagban lévő molekulák sokkal kevésbé mozognak, mint egy gázé, tehát a szilárd anyagnak kevesebb az entalpija. Az entalpia kiszámításának további tényezői a rendszer nyomása és térfogata, amelyek a legfontosabbak egy gázrendszerben. Az entalphia megváltozik, ha egy rendszeren dolgozik, vagy ha hőt és / vagy anyagot ad hozzá vagy von le.

Gondolhat az entrópiára, mint a rendszer hőenergiájának mérésére, vagy a rendszer rendellenességének mérésére. Ha meg szeretné tudni, hogy a kettő hogyan kapcsolódik egymáshoz, gondoljon egy pohár vízre, amely megfagy. Ha elveszi a hőenergiát a vízből, a szabadon és véletlenszerűen mozgó molekulák szilárd és rendezett jégkristályba záródnak. Ebben az esetben a rendszer entrópiájának változása negatív volt; kevésbé rendezetlen lett. A világegyetem szintjén az entrópia mindig növekszik.

Az entalpiát és az entrópiát a hőmérséklet befolyásolja. Ha hőt ad a rendszerbe, akkor mind az entrópia, mind az entalpia fokozódik. A hőmérséklet szintén független tényezőként szerepel a Gibbs-féle szabad energia kiszámításakor. A Gibbs-féle szabad energia változását úgy számítja ki, hogy megszorozza a hőmérsékletet az entrópia változásával, és kivonja a szorzatot a rendszer entalpia-változásából. Ebből láthatja, hogy a hőmérséklet drámai módon megváltoztathatja a Gibbs-féle szabad energiát.

Fontos, hogy kiszámolhassuk a Gibbs-féle szabad energiát, mert ennek segítségével meghatározhatjuk, hogy milyen valószínűséggel következik be egy reakció. A negatív entalpia és a pozitív entrópia elősegíti a továbbhaladó reakciót. A pozitív entalpia és a negatív entrópia nem kedvez a továbbhaladó reakciónak; ezek a reakciók a hőmérséklettől függetlenül fordított irányban haladnak. Amikor az egyik tényező kedvez a reakciónak, a másik pedig nem, a hőmérséklet határozza meg, hogy a reakció melyik irányba megy. Ha a Gibbs-féle szabad energia változása negatív, akkor a reakció előrehalad; ha pozitív, akkor megfordul. Amikor nulla, a reakció egyensúlyban van.