الطاقة الحرة والتلقائية: دليل دراسة

الأفكار الأساسية

تجمع الطاقة الحرة بين الأنثالبية والإنتروبيا في اختبار واحد للتلقائية. تكون العملية تلقائية عند درجة حرارة معينة عندما تكون ΔG سالبة، وترتبط ΔG° مباشرة بثابت الاتزان.

• ΔG = ΔH − TΔS حيث T بالكلفن. ΔG <; 0 تعني تلقائية و ΔG >; 0 غير تلقائية و ΔG = 0 اتزان.
• التراكيب الأربعة للإشارات: ΔH <; 0 و ΔS >; 0 تلقائية دائماً، و ΔH >; 0 و ΔS <; 0 لا تكون تلقائية أبداً، والاثنان الآخران يعتمدان على الحرارة.
• حيث تتغير الإشارة يكون T = ΔH ÷ ΔS. أبقِ ΔH بالجول أو ΔS بالكيلوجول لتتطابق الوحدات.
• ΔG° = −RT ln K، فـ ΔG° السالبة تعني K >; 1 وأن النواتج مفضلة عند الاتزان.

المعادلات الأساسية

• ΔG = ΔH − TΔS
• ΔG° = −RT ln K
• ΔS_surr = −ΔH ÷ T
• ΔS_total = ΔS_sys + ΔS_surr
• T_switch = ΔH ÷ ΔS

مثال محلول

عملية فيها ΔH = +40 kJ/mol و ΔS = +100 J/(mol·K). عند 298 K تكون ΔG = 40 000 − 298 × 100 = +10 200 J/mol فهي غير تلقائية. وتصبح تلقائية فوق T = 40 000 ÷ 100 = 400 K. ولتفاعل فيه ΔG° = −10.0 kJ/mol عند 298 K يكون ln K = 10 000 ÷ (8.314 × 298) = 4.04 أي K ≈ 57.

أخطاء شائعة

• خلط kJ لـ ΔH مع J لـ ΔS في الصيغة نفسها.
• استعمال °C بدل الكلفن لـ T.
• قراءة ΔG° <; 0 على أن التفاعل سريع. الطاقة الحرة لا تقول شيئاً عن السرعة.

تدرّب

اختبر نفسك بأسئلة تدريبية في هذا الموضوع: الطاقة الحرة والتلقائية