Свободная энергия и самопроизвольность: учебное руководство

Главные идеи

Свободная энергия объединяет энтальпию и энтропию в единый критерий самопроизвольности. Процесс самопроизволен при данной температуре, когда ΔG отрицательна, а ΔG° напрямую связана с константой равновесия.

• ΔG = ΔH − TΔS, T в кельвинах. ΔG < 0 — самопроизвольно, ΔG > 0 — несамопроизвольно, ΔG = 0 — равновесие.
• Четыре сочетания знаков: ΔH < 0 и ΔS > 0 — всегда самопроизвольно, ΔH > 0 и ΔS < 0 — никогда, а остальные два зависят от температуры.
• Там, где знак меняется, T = ΔH ÷ ΔS. Держите ΔH в джоулях или ΔS в кДж, чтобы единицы совпали.
• ΔG° = −RT ln K, поэтому отрицательная ΔG° означает K > 1 и преобладание продуктов в равновесии.

Основные формулы

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

Разобранный пример

Для процесса ΔH = +40 кДж/моль и ΔS = +100 Дж/(моль·К). При 298 К ΔG = 40 000 − 298 × 100 = +10 200 Дж/моль, то есть он несамопроизволен. Выше T = 40 000 ÷ 100 = 400 К он становится самопроизвольным. Для реакции с ΔG° = −10,0 кДж/моль при 298 К ln K = 10 000 ÷ (8,314 × 298) = 4,04, значит K ≈ 57.

Частые ошибки

• Смешивание кДж для ΔH и Дж для ΔS в одной формуле.
• Использование °C вместо кельвинов для T.
• Понимание ΔG° < 0 как того, что реакция быстрая. Свободная энергия ничего не говорит о скорости.

Практика

Проверьте себя на тренировочных вопросах по этой теме: Свободная энергия и самопроизвольность