If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Agar veb-filtrlardan foydalanayotgan boʻlsangiz *.kastatic.org va *.kasandbox.org domenlariga ruxsat berilganligini tekshirib koʻring.

Asosiy kontent

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: ΔSborliq=ΔSsistema+ΔSatrof-muhit>0
  • Oʻzgarmas bosim va haroratda Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi ΔG=ΔHTΔS formula bilan aniqlanadi.
  • ΔG 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
C(q,olmos)C(q,grafit)
Chapda, koʻp qirrali olmos. Oʻng tomonda qora grafit boʻlagi.
"Grafit abadiydir" degan gapni hech eshitganmisiz? Agar biz uzoqroq kuta olganimizda, olmos oʻz-oʻzidan uglerodning yanada barqaror shakli – grafitga aylanishini koʻrgan boʻlar edik. Rasm Wikipediaʼdan, CC BY-SA 3.0
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 ΔH 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:
ΔSborliq=ΔSsistema+ΔSatrof-muhit>0        Spontan jarayonlar uchun
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 T va doimiy bosimda P borsa, biz termodinamikaning ikkinchi qonuniga biroz oʻzgartirish kiritib, Gibbsning erkin energiyasi deb nomlanadigan yangi kattalikni topishimiz mumkin:
Gibbsning erkin energiyasi=G=HTS
bu yerda H entalpiya, T temperatura (kelvinda, K) va S entropiya. Gibbsning erkin energiyasi G harfi bilan belgilanadi va oʻlchov birligi kJmol-reak.
Gibbsning erkin eneriyasidan spontan jarayonlarni aniqlashda foydalanganimizda biz uning mutloq qiymati G ni emas, faqatgina uning oʻzgarishini topamiz. Shunday qilib, Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi ΔG, mahsulotlarning Gibbsning erkin energiyasi Goxirgi va reagentlarning Gibbs erkin energiyalari Gboshlangʻich oʻrtasidagi farqqa teng boʻladi.
ΔG=GoxirgiGdastlabki
T va P oʻzgarmas boʻlgan jarayonlar uchun Gibbsning erkin energiyasini entalpiyaning oʻzgarishi (ΔHsistema) va entropiyaning oʻzgarishi (ΔSsistema) bilan almashtirgan holda qayta yozishimiz mumkin:
ΔGsistema=ΔHsistemaTΔSsistema
Bundan tashqari koʻrishingiz mumkinki, ushbu reaksiya tenglamasidagi termodinamik qiymatlar sistemaga (atrof-muhit yoki borliqqa emas!) tegishli ekani koʻrsatilmagan holda yozilgan, ammo bu qiymatlar ΔH va ΔS sistema uchun ekani hammaga tushunarli. Ushbu tenglama juda qiziqarli, chunki sistema entalpiyasining oʻzgarishi ΔH va entropiyasining oʻzgarishidan ΔS foydalanib Gibbsning erkin energiyasini oʻzgarishini topishimiz mumkin. ΔG dan foydalanib biz reaksiya spontan ravishda ketib toʻgʻri yoʻnalishda boradimi, yoki teskari yoʻnalishda ketadimi, yoki muvozanatda boʻladimi, degan savollarga javob topishimiz mumkin.
  • Agar ΔG<0 boʻlsa, jarayon ekzergonik boʻladi va koʻproq mahsulot hosil boʻlib, oʻz-oʻzidan toʻgʻri yoʻnalishda ketadi.
  • Agar ΔG>0 boʻlsa, jarayon endergonik boʻladi va oʻz-oʻzicha toʻgʻri yoʻnalishda ketmaydi. Aksincha, teskari yoʻnalishga, boshlangʻich mahsulotlar hosil boʻlishi tomon ketadi.
  • Agar ΔG=0 boʻlsa, sistema muvozanatda boʻladi va mahsulot va reagentning konsentratsiyasi oʻzgarmas boʻlib qoladi.

Gibbs erkin energiyasi oʻzgarishini hisoblash

ΔG haroratga bogʻliq boʻlsa ham, agar reaksiyada fazaviy oʻtishlar roʻy bermasa, ΔH va ΔS qiymatlari haroratga bogʻliq emas deb taxmin qilish mutlaqo mumkin. Bu ΔH va ΔS ni bilsak, ΔG ni istalgan haroratda hisoblash uchun foydalanishimiz mumkin degan maʼnoni anglatadi. Ushbu maqolada biz ΔH va ΔS ni qanday hisoblash toʻgʻrisida batafsil gaplashmaymiz, ammo bu qiymatlarni hisoblashning koʻplab usullari mavjud, jumladan:
Jarayon standart sharoitda (barcha gazlar 1bar bosimda, barcha konsentratsiyalar 1M va T=25C) boʻlsa, biz ΔG ning hosil boʻlishini standart erkin energiyasidan ΔhGfoydalanib hisoblashimiz mumkin.
Masalani yechish uchun maslahat: ΔH va ΔS dan foydalanib ΔG ni topayotganda oʻlchov birliklariga eʼtiborli boʻlish juda muhim! ΔH odatda kJmol-reaksiya bilan ifodalanadi, ΔS koʻp hollarda Jmol-reaksiyaK bilan beriladi. Oʻrtadagi farq 1000 baravarni tashkil qiladi!!

Nima uchun ΔG manfiy?

Agar biz tenglamamizni batafsilroq koʻrib chiqsak, ΔGsistemaning qiymati 3 ta qiymatga bogʻliqligini koʻramiz:

ΔGsistema=ΔHsistemaTΔSsistema
  • entalpiyaning oʻzgarishi ΔHsistema
  • harorat T
  • entropiyaning oʻzgarishi ΔSsistema
Ushbu tenglamada temperatura doimo musbat (yoki nol) boʻladi, chunki uning oʻlchov birligi K da berilgan. Shuning uchun tenglamamizning ikkinchi qismi TΔSsistema ning ishorasi ΔSsistema niki bilan bir xil boʻladi. Qanday jarayonlarda ΔGsistema manfiy boʻlishi haqida quyidagi xulosalarga kelishimiz mumkin:
  • Jarayon ekzotermik boʻlsa (ΔHsistema<0) va sistema entropiyasi ortsa (ΔSsistema>0) ΔGsistema ning ishorasi har qanday haroratda manfiy boʻladi. Demak, jarayon har doim spontan boʻladi, yaʼni oʻz-oʻzidan boradi.
  • Jarayon endotermik boʻlib, ΔHsistema>0, sistemaning entropiyasi kamaysa ΔSsistema<0 ΔG ning ishorasi barcha haroratlarda musbat boʻladi. Demak, jarayon hech qachon spontan boʻlmaydi.
ΔHsistema va ΔSsistema ning boshqa kombinatsiyalarida spontan jarayon temperaturaga bogʻliq boʻladi.
  • Sistemaning entropiyasini kamaytiradigan (ΔSsistema<0) ekzotermik reaksiyalar (ΔHsistema<0) past temperaturalarda oʻz-oʻzidan boradi.
  • Sistemaning entropiyasini orttiradigan (ΔSsistema>0) endotermik reaksiyalar (ΔHsistema>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 ΔG qiymatini topish

Shaffof yuzadagi suvni ichida eriyotgan uchta muz kubi.
Qanday haroratda (agar mavjud boʻlsa) muzning erishi oʻz-oʻzidan sodir boʻladi? Muz kublarining rasmi flickrʼdan, CC BY 2.0.
Keling, spontan jarayonlarga temperaturaning taʼsiri koʻrsatilgan misolni koʻrib chiqamiz. Suv uchun erish entalpiyasi va erish entropiyasi quyidagi qiymatlarga ega:
ΔerishH=6,01kJmol-reak
ΔerishS=22,0Jmol-reakK
20C da eriyotgan muz uchun ΔG ning qiymati qanday boʻladi?
Biz koʻrib chiqayotgan jarayonda suvning fazasi qattiqdan suyuqqa oʻzgarmoqda:
H2O(q)H2O(s)
Ushbu misolda biz ΔGreak ni hisoblash uchun quyidagi formuladan foydalanishimiz mumkin:
ΔG=ΔHTΔS
Yaxshiyamki, biz allaqachon bu jarayon uchun ΔH va ΔS ning qiymatlarini bilamiz. Biz shunchaki birliklarimizni tekshirib olamiz, yaʼni entropiya va entalpiya bir xil birlikda ekaniga ishonch hosil qilamiz va temperaturani Kelvinga oʻtkazamiz:
T=20C+273=293K
Agar biz ΔH, T va ΔS larning qiymatlarini tenglamamizga qoʻysak, quyidagilarni olamiz:
ΔG=ΔHTΔS=6,01kJmol-reak(293K)(0,022kJmol-reakK)=6,01kJmol-reak6,45kJmol-reak=0,44kJmol-reak
ΔG manfiy boʻlgani uchun muz 20C da oʻz-oʻzidan eriydi, deb taxmin qilishimiz mumkin. Agar siz bunga ishonmasangiz, bemalol sinab koʻrishingiz mumkin :)
Nazorat savoli: 10C da eriyotgan muz uchun ΔG ning qiymati qanday boʻladi?

ΔG ning boshqa tatbiqlari: oldindan aytib berish

Laboratoriyada tajribalarni bajarmasdan oldin ΔG 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 ΔG bilan bahslashish qiyin!
Termodinamika kimyoning boshqa sohalariga oid tushunchalar bilan ham bogʻlangan. Masalan:

Xulosa

  • Termodinamikaning ikkinchi qonuniga koʻra borliqning entropiyasi spontan jarayonlar natijasida doimo ortib boradi: ΔSborliq=ΔSsistema+ΔSatrof-muhit>0
  • Oʻzgarmas bosim va temperaturada Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi ΔG=ΔHTΔS ga teng boʻladi.
  • ΔG manfiy boʻlsa, jarayon oʻz-oʻzidan boradi va ekzergonik deb ataladi.
  • ΔH va ΔS ning ishorasiga qarab, turli haroratlarda jarayonning spontanligi (oʻz-oʻzicha borish imkoniyati) oʻzgarishi mumkin.

Urinib koʻring!

Quyidagi reaksiya uchun ΔHreak=120kJmol-reak va ΔSreak=150Jmol-reakK:
2NO(g)+O2(g)2NO2(g)
Qanday temperaturada ushbu reaksiya oʻz-oʻzidan boradi?
Eslatma: unutmang, ΔH va ΔS ning qiymatlari temperaturaga bogʻliq emas, deb oling.
Bitta javobni tanlang: