Chapter 17: Thermodynamics

Back to chapter

17.10:

الطاقة الحرة والتوازن

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Free Energy and Equilibrium

Previous Video
17.9: Free Energy Changes for Nonstandard States

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

يمكن استخدام كل من ثابت التوازن والتغير القياسي في الطاقة الحرة،لتحديد ما إذا كان تفاعل ما يميل إلى المواد المتفاعلة أو إلى النواتج. في تركيبة أي خليط تفاعل،فإن قيمة دلتا G للتفاعل تساوي كمية الطاقة الحرة القياسية مضافًا إليها حاصل ضرب RT في اللوغاريتم الطبيعي لحاصل التفاعل. عندما تكون المواد المتفاعلة والنواتج في حالة توازن،تكون قيمة التغير في الطاقة الحرة صفرًا،ويكون حاصل التفاعل مساويًا لثابت التوازن.بالتالي فالتغير القياسي في الطاقة الحرة يساوي سالب RT ln K.إذا كانت دلتا دلتا G°أقل من صفر،وقيمة In K موجبة،فمعنى ذلك أن K أكبر من 1. في هذه الحالة،يميل التفاعل إلى تشكيل النواتج عند حالة التوازن. كلما زادت قيمة ثابت التوازن،كانت الطاقة الحرة سلبية أكثر.لنأخذ،على سبيل المثال،تفكك رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين عند درجة حرارة 298 كلفن،حيث قيمة K تساوي 1.34 10¹⁷. باستبدال القيم المعروفة في المعادلة،فإن الطاقة الحرة القياسية للتفاعل تساوي 98 كيلو جول لكل مول،ويميل التفاعل لتشكيل النواتج. وفي المقابل،إذا كانت دلتا G°أكبر من صفر،وكانت In K سالبة،فمعنى ذلك أن K أقل من 1 وأن التفاعل يميل للاتجاه العكسي.لنتأمل تفكك غاز ثالث أكسيد الكبريت في درجة حرارة 298 كلفن،والذي فيه قيمة G°تساوي 141.6 كيلو جول لكل مول. يمكن إعادة ترتيب المعادلة لتصبح In K مساوية لـ سالب دلتا G مقسمومة على RT.باستبدال القيم المعروفة في المعادلة،ورفع e لقوة أسّية تعادل قيمة النتيجة،تكون قيمة K ضئيلة ما يدل على أن التفاعل يميل إلى تشكيل المواد المتفاعلة. جدير بالملاحظة أنه إذا اختلفت درجة الحرارة،سيتغير ثابت التوازن كذلك.اعتماد ثابت التوازن على درجة الحرارة يمكن اشتقاقه من المعادلة التي تربط قيمة K مباشرة بقيمة دلتا G°للتفاعل. يمكن استبدال دلتا G°بالمحتوى الحراري القياسي مطروحًا منه درجة الحرارة ويضرب الناتج في القصور الحراري القياسي. بقسمة طرفي المعادلة على سالب RT،ينتج أن In K تساوي سالب دلتا H مقسومة على RT ومضافًا الي دلتا S مقسومة على R.هذه المعادلة على شكل خط مستقيم،حيث يمكن تمثيل لوغاريتم K الطبيعي بيانيًا مقابل عكس درجة الحرارة بالكلفن،لتعطي انحدارًا يمثل دلتا H مقسومة على R وتقاطع مع محور y يمثل دلتا S مقسومة على R.إذا قيست قيم K عند درجتي حرارة مختلفتان قليلًا،فيمكن استخدام هذا الرسم البياني لحساب التغير في المحتوى الحراري كذلك،مفترضين أنه يبقى ثابتًا في نطاق تغير محدود لدرجات الحرارة.

17.10:

الطاقة الحرة والتوازن

يمكن النظر إلى تغيير الطاقة الحرة لعملية ما كمقياس لقوتها الدافعة. تمثل القيمة السالبة لـ & # 916 ؛ G قوة دافعة للعملية في الاتجاه الأمامي ، بينما تمثل القيمة الموجبة قوة دافعة للعملية في الاتجاه العكسي. عندما تكون & # 916؛ G _rxn صفرًا ، تكون القوى الدافعة للأمام والخلف متساوية ، و تحدث العملية في كلا الاتجاهين بنفس المعدل (النظام في حالة توازن).

تذكر أن Q هي القيمة العددية لتعبير الفعل الجماعي للنظام ، ويمكن استخدام قيمتها لتحديد الاتجاه الذي سيستمر فيه التفاعل لتحقيق التوازن. عندما يكون Q أقل من ثابت التوازن ، K ، سيستمر التفاعل في الاتجاه الأمامي حتى يتم الوصول إلى التوازن و Q = ك . بالمقابل ، إذا Q & # 62 ؛ ك ، ستستمر العملية في الاتجاه العكسي حتى يتحقق التوازن.

يرتبط تغيير الطاقة الحرة لعملية تحدث مع المواد المتفاعلة والمنتجات الموجودة في ظروف غير قياسية (ضغوط بخلاف 1 بار ؛ التركيزات بخلاف 1 متر) بالتغير القياسي في الطاقة الحرة وفقًا لـ هذه المعادلة:

R هو ثابت الغاز (8.314 J/K mol) ، و T هو كلفن أو درجة الحرارة المطلقة ، و Q هو التفاعل حاصل القسمة. بالنسبة لتوازن الطور الغازي ، يتم استخدام حاصل التفاعل المعتمد على الضغط ، Q _p. حاصل التفاعل المعتمد على التركيز ، Q _c ، يستخدم لتوازن الطور المكثف. يمكن استخدام هذه المعادلة للتنبؤ بعفوية العملية تحت أي مجموعة معينة من الشروط

بالنسبة إلى نظام في حالة توازن، Q = K و ΔG_rxn = 0، ويمكن كتابة المعادلة السابقة كـ

يوفر هذا الشكل من المعادلة رابطًا مفيدًا بين هاتين الخاصيتين الديناميكا الحرارية الأساسيتين ، ويمكن استخدامه لاشتقاق ثوابت التوازن من التغييرات القياسية في الطاقة الحرة والعكس صحيح. العلاقات بين التغيرات القياسية في الطاقة الحرة وثوابت التوازن ملخصة أدناه.

إذا K & # 62؛ 1، & # 916؛ G & # 186؛ _rxn & # 60؛ 0 والمنتجات أكثر وفرة في خليط التفاعل.

إذا K & # 60؛ 1، & # 916؛ G & # 186؛ _rxn & # 62؛ 0 والمواد المتفاعلة أكثر وفرة في خليط التفاعل.

& # 160 ؛ K = 1، & # 916؛ G & # 186؛ _rxn = 0 والمواد المتفاعلة والمنتجات وفيرة نسبيًا في خليط التفاعل.

الطاقة الحرة القياسية لتغيير التفاعل تعتمد على درجة الحرارة:

يرتبط التغير القياسي في الطاقة الحرة للتفاعل بثابت التوازن للتفاعل:

الجمع بين التعبيرين:

ينتج عن تقسيم كلا الجانبين بواسطة RT

إعادة ترتيب العطاء

تأخذ المعادلة شكل خط مستقيم y = mx + b . مؤامرة من ln K تم رسمها مقابل 1 / T & # 160 ؛ تنتج خطًا مستقيمًا بميل & # 8722 ؛ & # 916 ؛ H & # 186؛ _rxn / R وتقاطع y لـ & # 916؛ S & # 186؛ _rxn / R . يمكن أيضًا التعبير عن المعادلة بصيغة من نقطتين:

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy.

Tags

Equilibrium Constant Standard Free Energy Change Reaction Product Favored Reactant Favored Reaction Quotient Equilibrium Free Energy Change Equilibrium Constant Breakdown Dinitrogen Tetroxide Sulfur Trioxide Gas K (equilibrium Constant)Negative & 916;G Positive Ln K Negative Ln K