Forståelse af Gibbs Free Energy:Forudsigelse af kemisk reaktionsretning

Af Andrea Becker | Opdateret 30. august 2022

michaeljung/iStock/Getty Images

I de fleste indledende kemikurser er reaktioner vist med en enkelt pil, hvilket indebærer en envejsproces. I virkeligheden er kemiske reaktioner reversible, og den retning, de favoriserer, afhænger af systemets Gibbs frie energi (ΔG). Ved at evaluere ΔG kan videnskabsmænd forudsige, om en reaktion vil fortsætte fremad, tilbage eller nå ligevægt.

Entalpi (ΔH)

Entalpi repræsenterer den samlede energi, der er lagret i et system, hovedsageligt hidrørende fra molekylernes tilfældige bevægelse. Det er ikke det samme som potentiel energi af bindinger eller kinetisk energi af bulk bevægelse. Entalpi ændres, når varme eller arbejde tilføres eller fjernes, og den påvirkes af tryk og volumen - især i gasser.

Entropi (ΔS)

Entropi måler graden af uorden eller tilfældighed i et system. Når et system mister varme, såsom vand, der fryser til is, falder dets entropi, fordi molekylerne vedtager et mere ordnet arrangement. På den universelle skala aftager entropien aldrig; det har altid en tendens til at stige.

Temperaturens rolle

Både entalpi og entropi er temperaturafhængige. Tilførsel af varme hæver både ΔH og ΔS. Gibbs frie energiændring beregnes som ΔG =ΔH – TΔS, hvor T er den absolutte temperatur i Kelvin. Fordi temperatur multiplicerer entropi-leddet, kan den vippe balancen mellem entalpi og entropi, hvilket ændrer reaktionens spontanitet.

Konsekvenser for kemiske reaktioner

Ved at undersøge ΔG kan kemikere bestemme reaktionsgennemførlighed:

• ΔG < 0 – reaktionen er spontan og fortsætter i fremadgående retning.
• ΔG > 0 – reaktionen er ikke-spontan og har tendens til at vende.
• ΔG = 0 – systemet er i ligevægt; frem og tilbage kurser er ens.

Når entalpi og entropi favoriserer modsatte retninger, bliver temperaturen den afgørende faktor. For eksempel kan en endoterm reaktion (ΔH > 0) med positiv ΔS blive spontan ved høje temperaturer, fordi TΔS-udtrykket opvejer ΔH.

At forstå Gibbs frie energi ruster forskere til at designe effektive processer, forudsige reaktionsveje og kontrollere industriel syntese.