Asosiy kontent
Kimyo
Course: Kimyo > Unit 15
Lesson 4: Gibbsning erkin energiyasi- Gibbsning erkin energiyasi va spontanlik (oʻz-oʻzidan sodir boʻlish)
- Gibbsning erkin energiyasi va spontanlik (oʻz-oʻzidan sodir boʻlish)
- Gibbsning erkin energiyasiga misol
- Gibbsning erkin energiyasi/spontanlik yanada mustahkamroq bogʻliqlik
- Bir qarashda jozibador, ammo xato boʻlgan Gibbsning spontanlik dalili
- Erkin energiyaning oʻzgarishi va reaksiya koeffitsiyenti
- Erkin energiyaning standart oʻzgarishi va muvozanat konstantasi
- 2015 AP Chemistry free response 2c
© 2023 Khan AcademyFoydalanish shartlariMaxfiylik siyosatiCookie Notice
Gibbsning erkin energiyasi va spontanlik (oʻz-oʻzidan sodir boʻlish)
Termodinamikaning ikkinchi qonuni qanday qilib jarayon oʻz-oʻzidan sodir boʻlish yoki boʻlmasligini aniqlashga yordam beradi va Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishidan foydalanib reaksiya oʻz-oʻzidan oʻngga yoki chapga siljiydimi, yoʻqmi (muvozanatdami!) aytib beradi.
Asosiy tushunchalar
- Termodinamikaning ikkinchi qonuniga koʻra borliqning entropiyasi spontan (oʻz-oʻzidan sodir boʻladigan) jarayonlar natijasida doimiy ravishda oshib boradi: delta, start text, S, end text, start subscript, start text, b, o, r, l, i, q, end text, end subscript, equals, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, plus, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, a, t, r, o, f, negative, m, u, h, i, t, end text, end subscript, is greater than, 0
- Oʻzgarmas bosim va haroratda Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi delta, start text, G, end text, equals, delta, start text, H, end text, minus, start text, T, end text, delta, start text, S, end text formula bilan aniqlanadi.
- delta, start text, G, end text manfiy boʻlsa, jarayon oʻz-oʻzidan boradi va ekzergonik deb ataladi.
- Spontan jarayonlar haroratga bogʻliq boʻladi.
Spontan (oʻz-oʻzidan sodir boʻladigan) jarayonlar
Kimyoda oʻz-oʻzidan boradigan jarayonlar tashqi muhitdan energiya olmasdan sodir boʻladi. Spontan jarayonlar tez yoki sekin borishi mumkin, chunki spontanlikning (oʻz-oʻzidan sodir boʻlish) kinetikasi yoki reaksiya tezligi yoʻq. Klassik misol sifatida quyidagi reaksiyani keltirishimiz mumkin: olmos shaklidagi uglerodning grafitga aylanish jarayoni
Bu reaksiya shunchalik uzoq davom etadiki, odamlarning odatiy vaqt hisobi bilan aniqlab boʻlmaydi, shuning uchun “olmos abadiydir” deyishadi. Agar biz yetarlicha uzoq kutishimiz mumkin boʻlganda edi, biz olmos shaklidagi uglerodning yanada barqaror, ammo kamroq yorqin, grafit shakliga aylanishini koʻrishimiz mumkin boʻlardi.
Yodda tutish kerak boʻlgan yana bir narsa, spontan jarayonlar ekzotermik yoki endotermik boʻlishi mumkin. Bu esa spontan jarayonlarning entalpiya oʻzgarishi delta, start text, H, end text bilan bogʻliq emasligini taʼkidlashning yana bir usulidir.
Jarayon oʻz-oʻzidan sodir boʻlishini qanday bilamiz? Qisqa, ammo biroz murakkab javob: biz termodinamikaning ikkinchi qonunini qoʻllashimiz mumkin. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga koʻra har qanday oʻz-oʻzidan sodir boʻladigan jarayon borliqdagi entropiyasini orttirishi kerak. Buni matematik tarzda quyidagicha ifodalash mumkin:
Ajoyib! Shunday qilib, biz butun borliqning entropiyasi oʻzgarishini oʻlchashimiz kerak, toʻgʻrimi? Baxtga qarshi, yuqorida koʻrsatilgan usulda ikkinchi qonunni amalda qoʻllashda biroz noqulayliklar boʻlishi mumkin. Dastlab kimyogarlar uzoq vaqt stakandagi kimyoviy reaksiya ketganda sistemaning oʻzgarishi bilan qiziqishgan. Haqiqatan ham biz butun olamni oʻrganishimiz kerakmi? (Bu kimyogarlar dangasa yoki boshqa degani emas, lekin biz buni qanday qilishimiz mumkin?)
Yaxshiyamki, kimyogarlar borliqning entropiya oʻzgarishini Gibbs erkin energiyasi deb nomlangan yangi termodinamik qiymatni aniqlash va qoʻllash orqali topishlari mumkin.
Gibbsning erkin energiyasi va spontanlik (oʻz-oʻzidan sodir boʻlish)
Jarayon doimiy harorat start text, T, end text va doimiy bosimda start text, P, end text borsa, biz termodinamikaning ikkinchi qonuniga biroz oʻzgartirish kiritib, Gibbsning erkin energiyasi deb nomlanadigan yangi kattalikni topishimiz mumkin:
bu yerda start text, H, end text entalpiya, start text, T, end text temperatura (kelvinda, start text, K, end text) va start text, S, end text entropiya. Gibbsning erkin energiyasi start text, G, end text harfi bilan belgilanadi va oʻlchov birligi start fraction, start text, k, J, end text, divided by, start text, m, o, l, negative, r, e, a, k, end text, end fraction.
Gibbsning erkin eneriyasidan spontan jarayonlarni aniqlashda foydalanganimizda biz uning mutloq qiymati start text, G, end text ni emas, faqatgina uning oʻzgarishini topamiz. Shunday qilib, Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi delta, start text, G, end text, mahsulotlarning Gibbsning erkin energiyasi start text, G, end text, start subscript, start text, o, x, i, r, g, i, end text, end subscript va reagentlarning Gibbs erkin energiyalari start text, G, end text, start subscript, start text, b, o, s, h, l, a, n, g, ʻ, i, c, h, end text, end subscript oʻrtasidagi farqqa teng boʻladi.
start text, T, end text va start text, P, end text oʻzgarmas boʻlgan jarayonlar uchun Gibbsning erkin energiyasini entalpiyaning oʻzgarishi (delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript) va entropiyaning oʻzgarishi (delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript) bilan almashtirgan holda qayta yozishimiz mumkin:
Bundan tashqari koʻrishingiz mumkinki, ushbu reaksiya tenglamasidagi termodinamik qiymatlar sistemaga (atrof-muhit yoki borliqqa emas!) tegishli ekani koʻrsatilmagan holda yozilgan, ammo bu qiymatlar delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text sistema uchun ekani hammaga tushunarli. Ushbu tenglama juda qiziqarli, chunki sistema entalpiyasining oʻzgarishi delta, start text, H, end text va entropiyasining oʻzgarishidan delta, start text, S, end text foydalanib Gibbsning erkin energiyasini oʻzgarishini topishimiz mumkin. delta, start text, G, end text dan foydalanib biz reaksiya spontan ravishda ketib toʻgʻri yoʻnalishda boradimi, yoki teskari yoʻnalishda ketadimi, yoki muvozanatda boʻladimi, degan savollarga javob topishimiz mumkin.
- Agar delta, start text, G, end text, is less than, 0 boʻlsa, jarayon ekzergonik boʻladi va koʻproq mahsulot hosil boʻlib, oʻz-oʻzidan toʻgʻri yoʻnalishda ketadi.
- Agar delta, start text, G, end text, is greater than, 0 boʻlsa, jarayon endergonik boʻladi va oʻz-oʻzicha toʻgʻri yoʻnalishda ketmaydi. Aksincha, teskari yoʻnalishga, boshlangʻich mahsulotlar hosil boʻlishi tomon ketadi.
- Agar delta, start text, G, end text, equals, 0 boʻlsa, sistema muvozanatda boʻladi va mahsulot va reagentning konsentratsiyasi oʻzgarmas boʻlib qoladi.
Gibbs erkin energiyasi oʻzgarishini hisoblash
delta, start text, G, end text haroratga bogʻliq boʻlsa ham, agar reaksiyada fazaviy oʻtishlar roʻy bermasa, delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text qiymatlari haroratga bogʻliq emas deb taxmin qilish mutlaqo mumkin. Bu delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ni bilsak, delta, start text, G, end text ni istalgan haroratda hisoblash uchun foydalanishimiz mumkin degan maʼnoni anglatadi. Ushbu maqolada biz delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ni qanday hisoblash toʻgʻrisida batafsil gaplashmaymiz, ammo bu qiymatlarni hisoblashning koʻplab usullari mavjud, jumladan:
- Standart qiymatlar jadvalidan foydalanib delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ni hisoblash
Jarayon standart sharoitda (barcha gazlar 1, start text, b, a, r, end text bosimda, barcha konsentratsiyalar 1, start text, M, end text va start text, T, end text, equals, 25, degrees, start text, C, end text) boʻlsa, biz delta, start text, G, end text ning hosil boʻlishini standart erkin energiyasidan delta, start subscript, h, end subscript, start text, G, end text, degreesfoydalanib hisoblashimiz mumkin.
Masalani yechish uchun maslahat: delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text dan foydalanib delta, start text, G, end text ni topayotganda oʻlchov birliklariga eʼtiborli boʻlish juda muhim! delta, start text, H, end text odatda start fraction, start text, k, J, end text, divided by, start text, m, o, l, negative, r, e, a, k, s, i, y, a, end text, end fraction bilan ifodalanadi, delta, start text, S, end text koʻp hollarda start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, negative, r, e, a, k, s, i, y, a, end text, dot, start text, K, end text, end fraction bilan beriladi. Oʻrtadagi farq 1000 baravarni tashkil qiladi!!
Nima uchun delta, start text, G, end text manfiy?
Agar biz tenglamamizni batafsilroq koʻrib chiqsak, delta, start text, G, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscriptning qiymati 3 ta qiymatga bogʻliqligini koʻramiz:
delta, start text, G, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, equals, delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, minus, start text, T, end text, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript
- entalpiyaning oʻzgarishi delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript
- harorat start text, T, end text
- entropiyaning oʻzgarishi delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript
Ushbu tenglamada temperatura doimo musbat (yoki nol) boʻladi, chunki uning oʻlchov birligi start text, K, end text da berilgan. Shuning uchun tenglamamizning ikkinchi qismi start text, T, end text, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript ning ishorasi delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript niki bilan bir xil boʻladi. Qanday jarayonlarda delta, start text, G, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript manfiy boʻlishi haqida quyidagi xulosalarga kelishimiz mumkin:
- Jarayon ekzotermik boʻlsa (delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0) va sistema entropiyasi ortsa (delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0) delta, start text, G, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript ning ishorasi har qanday haroratda manfiy boʻladi. Demak, jarayon har doim spontan boʻladi, yaʼni oʻz-oʻzidan boradi.
- Jarayon endotermik boʻlib, delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0, sistemaning entropiyasi kamaysa delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0 delta, start text, G, end text ning ishorasi barcha haroratlarda musbat boʻladi. Demak, jarayon hech qachon spontan boʻlmaydi.
delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript va delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript ning boshqa kombinatsiyalarida spontan jarayon temperaturaga bogʻliq boʻladi.
- Sistemaning entropiyasini kamaytiradigan (delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0) ekzotermik reaksiyalar (delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0) past temperaturalarda oʻz-oʻzidan boradi.
- Sistemaning entropiyasini orttiradigan (delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0) endotermik reaksiyalar (delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0) yuqori temperaturalarda oʻz-oʻzidan boradi.
Kundalik hayotingizda maʼlum bir haroratlarda oʻz-oʻzidan boradigan, ammo boshqa temperaturalarda bormaydigan reaksiyalar haqida eslay olasizmi?
1-masala: eriyotgan muzning delta, start text, G, end text qiymatini topish
Keling, spontan jarayonlarga temperaturaning taʼsiri koʻrsatilgan misolni koʻrib chiqamiz. Suv uchun erish entalpiyasi va erish entropiyasi quyidagi qiymatlarga ega:
20, degrees, start text, C, end text da eriyotgan muz uchun delta, start text, G, end text ning qiymati qanday boʻladi?
Biz koʻrib chiqayotgan jarayonda suvning fazasi qattiqdan suyuqqa oʻzgarmoqda:
Ushbu misolda biz delta, start text, G, end text, start subscript, start text, r, e, a, k, end text, end subscript ni hisoblash uchun quyidagi formuladan foydalanishimiz mumkin:
Yaxshiyamki, biz allaqachon bu jarayon uchun delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ning qiymatlarini bilamiz. Biz shunchaki birliklarimizni tekshirib olamiz, yaʼni entropiya va entalpiya bir xil birlikda ekaniga ishonch hosil qilamiz va temperaturani Kelvinga oʻtkazamiz:
Agar biz delta, start text, H, end text, start text, T, end text va delta, start text, S, end text larning qiymatlarini tenglamamizga qoʻysak, quyidagilarni olamiz:
delta, start text, G, end text manfiy boʻlgani uchun muz 20, degrees, start text, C, end text da oʻz-oʻzidan eriydi, deb taxmin qilishimiz mumkin. Agar siz bunga ishonmasangiz, bemalol sinab koʻrishingiz mumkin :)
Nazorat savoli: minus, 10, degrees, start text, C, end text da eriyotgan muz uchun delta, start text, G, end text ning qiymati qanday boʻladi?
delta, start text, G, end text ning boshqa tatbiqlari: oldindan aytib berish
Laboratoriyada tajribalarni bajarmasdan oldin delta, start text, G, end text ni hisoblab topishning katta foydasi tegishi mumkin! Biz koʻpincha reaksiya maʼlum haroratda qanday yoʻnalishda ketishini bilishni xohlaymiz, ayniqsa, aniq bir mahsulot olishni reja qilgan boʻlsak. Biz reaksiya maʼlum bir yoʻnalishda ketishini (mahsulotimiz hosil boʻlishi tomon) xohlashimiz mumkin, ammo musbat delta, start text, G, end text bilan bahslashish qiyin!
Termodinamika kimyoning boshqa sohalariga oid tushunchalar bilan ham bogʻlangan. Masalan:
- Kimyoviy muvozanatdagi muvozanat konstantasi start text, K, end text bilan delta, start text, G, end text bogʻliqligi.
Xulosa
- Termodinamikaning ikkinchi qonuniga koʻra borliqning entropiyasi spontan jarayonlar natijasida doimo ortib boradi: delta, start text, S, end text, start subscript, start text, b, o, r, l, i, q, end text, end subscript, equals, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, plus, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, a, t, r, o, f, negative, m, u, h, i, t, end text, end subscript, is greater than, 0
- Oʻzgarmas bosim va temperaturada Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi delta, start text, G, end text, equals, delta, start text, H, end text, minus, start text, T, end text, delta, start text, S, end text ga teng boʻladi.
- delta, start text, G, end text manfiy boʻlsa, jarayon oʻz-oʻzidan boradi va ekzergonik deb ataladi.
- delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ning ishorasiga qarab, turli haroratlarda jarayonning spontanligi (oʻz-oʻzicha borish imkoniyati) oʻzgarishi mumkin.
Urinib koʻring!
Quyidagi reaksiya uchun delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, e, a, k, end text, end subscript, equals, minus, 120, start fraction, start text, k, J, end text, divided by, start text, m, o, l, negative, r, e, a, k, end text, end fraction va delta, start text, S, end text, start subscript, start text, r, e, a, k, end text, end subscript, equals, minus, 150, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, negative, r, e, a, k, end text, dot, start text, K, end text, end fraction:
Qanday temperaturada ushbu reaksiya oʻz-oʻzidan boradi?
Eslatma: unutmang, delta, start text, H, end text va delta, start text, S, end text ning qiymatlari temperaturaga bogʻliq emas, deb oling.
Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?
Hozircha izohlar yoʻq.