Sådan afgøres, om en kemisk reaktion er spontan

Af John Brennan – Opdateret 30. august 2022

At vide, om en reaktion vil opstå af sig selv, er en hjørnesten i kemi. En reaktion, der forløber uden ekstern energitilførsel, betegnes termodynamisk spontan. Nøgleindikatoren for spontanitet er standard Gibbs fri energiændring, ΔG°, som sammenligner den frie energi af produkter og reaktanter i deres standardtilstande. En negativ ΔG° signalerer en spontan reaktion som skrevet; en positiv værdi angiver, at reaktionen er ikke-spontan under de betragtede forhold.

Trin 1 – Skriv den balancerede ligning

Begynd med at skrive en komplet, afbalanceret kemisk ligning for reaktionen. Hvis du har brug for en genopfriskning af, hvordan du gør dette, kan du konsultere den introduktionsressource, der er linket til nedenfor. Eksempelvis skrives forbrænding af metan som:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Trin 2 – Hent termodynamiske data

Åbn NIST Chemical WebBook (en pålidelig, autoritativ database). Søg efter hver art i din ligning for at få standardentalpien for dannelse, ΔfH°, og standard molære entropi, S°, værdier. Disse er typisk angivet i henholdsvis kJmol⁻ⁱ og Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ.

Trin 3 – Beregn standardentalpi for reaktion

Sum ΔfH°-værdierne for alle produkter, summer derefter værdierne for alle reaktanter. Træk reaktanternes total fra produkternes total for at opnå standardentalpiændringen, ΔH°:

ΔH° =ΣΔfH°(produkter) – ΣΔfH°(reaktanter)

Eksempel på metanforbrænding:

• ΔfH°(CH4) =–74,5 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(CO₂) =–393,5 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(H2O, l) =–285,8 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(O2, g) =0 (per definition)

Produkter:–393,5 + 2(–285,8) =–965,1 kJmol⁻ⁱ
Reaktanter:–74,5 kJmol⁻ⁱ
ΔH° =–965,1 – (–74,5) =–890,6 kJmol⁻ⁱ

Trin 4 – Beregn standardentropiændring

Sum S°-værdierne for produkter og reaktanter separat, og træk derefter reaktanter fra produkter for at finde ΔS°:

ΔS° =ΣS°(produkter) – ΣS°(reaktanter)

Eksempelværdier:

• S°(CH₄) =186,25 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(CO₂) =213,79 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(H2O, l) =69,95 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(O₂, g) =205,15 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ

Reaktanter:186,25 + 2(205,15) =596,55 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
Produkter:2(69,95) + 213,79 =353,69 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
ΔS° =353,69 – 596,55 =–242,86 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ

Trin 5 – Konverter entropiændring til kJmol⁻ⁱ

Multiplicer ΔS° med den absolutte temperatur (298,15K for stuetemperatur) og divider med 1000 for at justere enheder med ΔH°:

(–242,86 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ) × 298,15K ÷ 1000 =–72,41 kJmol⁻ⁱ

Trin 6 – Beregn standard Gibbs fri energi

Træk det temperaturskalerede entropiled fra entalpileddet:

ΔG° =ΔH° – TΔS° =(–890,6 kJmol⁻ⁱ) – (–72,41 kJmol⁻ⁱ) =–818,2 kJmol⁻ⁱ

En negativ ΔG° bekræfter, at metanforbrændingsreaktionen er termodynamisk spontan ved 298,15K.

Hvad du skal bruge

• Blyant og papir (eller et digitalt regneark)
• Videnskabelig lommeregner eller computersoftware
• Adgang til pålidelige termodynamiske tabeller (f.eks. NIST Chemical WebBook)

Referencer

• Atkins, P., et al. Kemiske principper:The Quest for Insight . 2008.
• Vollhardt, P., et al. Organisk kemi, struktur og funktion . 2011.