Wat is Gibbs vrije energie?

Hoogstwaarschijnlijk zijn de eerste chemische reacties die je op school hebt bestudeerd in één richting gegaan; bijvoorbeeld azijn gegoten in zuiveringszout om een ​​"vulkaan" te maken. In werkelijkheid moeten de meeste reacties worden geïllustreerd met een pijl die in elke richting wijst, wat betekent dat de reactie beide kanten op kan gaan. Het bepalen van de Gibbs-vrije energie van een systeem biedt een manier om te bepalen of de ene pijl veel groter is dan de andere; dat wil zeggen, gaat de reactie bijna altijd in één richting, of zijn ze beide ongeveer even groot? In het laatste geval is de kans even groot dat de reactie de ene kant op gaat als de andere. De drie kritische factoren bij het berekenen van de Gibbs-vrije energie zijn enthalpie, entropie en temperatuur.

Enthalpie is een maat voor hoeveel energie er in een systeem zit. Een primaire component van enthalpie is interne energie, of de energie van de willekeurige beweging van moleculen. Enthalpie is noch de potentiële energie van moleculaire bindingen, noch de kinetische energie van een bewegend systeem. De moleculen in een vaste stof bewegen veel minder dan die van een gas, dus de vaste stof heeft minder enthalpie. De andere factoren bij het berekenen van enthalpie zijn de druk en het volume van het systeem, die het belangrijkst zijn in een gassysteem. Enthalfie verandert als je aan een systeem werkt, of als je warmte en/of materie toevoegt of aftrekt.

Je kunt entropie zien als een maat voor de thermische energie van een systeem of als een maat voor de wanorde van het systeem. Om te zien hoe de twee verwant zijn, denk aan een glas water dat bevriest. Wanneer je warmte-energie uit het water haalt, worden de moleculen die vrij en willekeurig bewogen opgesloten in een vast en zeer geordend ijskristal. In dit geval was de verandering in entropie voor het systeem negatief; het werd minder wanordelijk. Op het niveau van het heelal neemt de entropie altijd toe.

Enthalpie en entropie worden beïnvloed door temperatuur. Als u warmte aan het systeem toevoegt, verhoogt u zowel de entropie als de enthalpie. Temperatuur is ook opgenomen als een onafhankelijke factor bij het berekenen van Gibbs vrije energie. Je berekent de verandering in de Gibbs vrije energie door de temperatuur te vermenigvuldigen met de verandering in entropie, en het product af te trekken van de verandering in enthalpie voor het systeem. Hieruit kun je zien dat temperatuur de vrije energie van Gibbs drastisch kan veranderen.

Het kunnen berekenen van de Gibbs-vrije energie is belangrijk omdat je het kunt gebruiken om te bepalen hoe waarschijnlijk het is dat een reactie optreedt. Negatieve enthalpie en positieve entropie bevorderen een toekomstige reactie. Positieve enthalpie en negatieve entropie zijn niet gunstig voor een toekomstige reactie; deze reacties zullen in de omgekeerde richting gaan, ongeacht de temperatuur. Wanneer de ene factor de reactie bevordert en de andere niet, bepaalt de temperatuur in welke richting de reactie zal gaan. Als de verandering in Gibbs vrije energie negatief is, zal de reactie doorgaan; als het positief is, zal het in omgekeerde richting gaan. Als het nul is, is de reactie in evenwicht.