ما هي طاقة جبس الحرة ΔG ؟ ومسائل محلولة عليها؟

Question

ما هي طاقة جبس الحرة ΔG؟ 

مسائل محلولة على طاقة جبس الحرة ΔG؟

Answer 1

طاقة جبس الحرة Gibbs Free Eneregy

- طاقـة جبس الحرة: هي خاصية ثرموديناميكية تجمع بين انتروبي وإنثالبي النظام فقط بهدف تحديد ما إذا كان التغير تلقائي أم لا.

- يمكن إيجاد التغير في طاقة جبس الحرة بالقانون التالي:

 ΔG = ΔH - TΔS 

ΔG = التغير في طاقة جبس الحرة ، ووحدته kJ / mol

ΔH = التغير في الإنثالبي ووحدته kJ / mol

ΔS = التغير في الانتروبي للنظام فقط ، ووحدتها J/mol K

T = درجة الحرارة المطلقة (كلفن) ، ووحدتها K

ملاحظات على قانون حساب طاقة جبس الحرة 

(1) إذا كانت قيمة ΔG بالموجب يكون التغير غير تلقائي.

ΔH - TΔS > zero    ΔG > zero

(2) إذا كانت قيمة ΔG بالسالب يكون التغير تلقائي.

ΔH - TΔS < zero    ΔG < zero

(3) إذا كانت ΔG يساوي صفر يكون التغير في حالة اتزان .

ΔH - TΔS = zero    ΔG = zero

(4) يمكن من خلال معرفة إشارات قيم ΔS و ΔH أن نحدد كون التغير تلقائي أم لا

(5) إذا كان : 0 > ΔH و ΔS > 0 فإن 0 > ΔG أي ان التغير تلقائي . 

أي أن التغير طارد للحرارة ، ويتجه نحو العشوائية (عدم الانتظام) .

(6) إذا كان : 0 < ΔH و 0 > ΔS فإن 0 < ΔG أي أن التغير غير تلقائي. 

أي ان التغير ماص للحرارة ، ويتجه نحو الانتظام.

(7) إذا كان : 0 < ΔH و ΔS > 0 فإن 0 < ΔG يعتمد على درجة الحرارة كما يلي: 

(أ) إذا كانت درجة الحرارة عالية فإن التفاعل تلقائي وذلك لأن زيادة درجة الحرارة يؤدي إلى أن TΔS > ΔH مما يجعل قيمة ΔG بالسالب. 

(ب) إذا كانت درجة الحرارة منخفضة فإن التفاعل غير تلقائي وذلك لأن النقصان في درجة الحرارة يؤدي إلى أن ΔH > TΔS مما يجعل قيمة ΔG بالموجب.

(8) إذا كان : 0 > ΔH و 0 > ΔS  فإن ΔG يعتمد على درجة الحرارة كما يلي: 

(أ) إذا كانت درجة الحرارة عالية فإن التفاعل غير تلقائي وذلك لأن زيادة درجة الحرارة يؤدي إلى ان TΔS < ΔH مما يجعل قيمة ΔG بالموجب .

(ب) إذا كانت درجة الحرارة منخفضة فإن التـفـاعـل تلقائي وذلك لأن النقصان في درجـة الحرارة يؤدي إلى أن ΔH < TΔS مما يجعل قيمة ΔG بالسالب.

ويمكن تلخيص القواعد السابقة في الجدول التالي:

سؤال: ما العاملان الواجب توفرهما حتى تكون عملية ما تلقائية ، بغض النظر عن درجة حرارتها.

جواب: أن تكون قيمة > ΔH وقيمة 0 < ΔS

التغير في الطاقة الحرة القياسية

- تعريف التغير في الطاقة الحرة القياسية هو مقدار التغير في الطاقة الحرة اللازمة لتكوين مول واحد من مركب من عناصره الأولية في الحالة القياسية.

- الجدول التالي يوضح قيم طاقات التكوين الحرة القياسية (ΔG^o) عند C° 25 و 1atm بوحدة kJ / mol

- طاقة التكوين الحرة القياسية ΔG^o لأي عنصر في الحالة القياسية يساوي صفر

-  يمكن إيجاد التغير في الطاقة الحرة القياسية AG للتفاعلات الكيميائية باستخدام القانون

ΔG° = ∑ ΔG° Products - ∑ ΔG° Reactants

Answer 2

مسائل محلولة على طاقة جبس الحرة ΔG

مثال (1): صنف التـفـاعـلات التالية حسب الامكانية إلى تفاعلات تلقائية وغير تلقائية حسب قيمة ΔG المتوقعة عند درجات حرارة عالية أو منخفضة:

الحل:

(1) الزيادة في العدد الكلي للجزيئات يؤدي إلى زيادة العشوائية إذن 0 < ΔS 

وحيث أن : 0 > ΔH و 0 < ΔS  فيكون التفاعل تلقائي عند أي درجة حرارة .

(2) النقص في العدد الكلي للجزيئات يؤدي إلى نقص العشوائية إذن 0 > ΔS 

وحيث أن : 0 < ΔH و 0 > ΔS  فيكون التفاعل غير تلقائي عند أي درجة حرارة .

(3) النقص في العدد الكلي للجزيئات يؤدي إلى نقص العشوائية إذن 0 > ΔS

وحيث أن ΔS < 0 , ΔH < 0 فيكون التفاعل غير تلقائي عند درجة حرارة عالية ويكون التفاعل تلقائي عند درجة حرارة منخفضة .

(4) الزيادة في العدد الكلي للجزيئات يؤدي إلى زيادة العشوائية إذن 0 < ΔS

وحيث أن : 0 < ΔH و 0 < ΔS فيكون التفاعل تلقائي عند درجة حرارة عالية و يكون التفاعل غير تلقائي عند درجة حرارة منخفضة .

مثال (2): أذا كانت عملية ما تمتاز بما يلي  0 < ΔH و 0 > ΔS  حدد ما إذا كانت العملية تلقائية أم لا حسب درجة الحرارة.

الحل: 

العملية غير تلقائية عند أي درجة حرارة

مثال (3): جد التغير في الطاقة الحرة °G للتفاعلات التالية:

الحل:

القانون المستخدم:

 

مثال (4): حسب التفاعلين التاليين:

حدد التفاعل المناسب لتحضير NO₂ حسب المعلومات التالية: 

 الحل:

(1)

وحيث ان : 0 < ΔH و 0 > ΔS 

التفاعل غير تلقائي عند أي درجة حرارة.

(2)

 وحيث أن : 0 > ΔH و 0 > ΔS 

التفاعل تلقائي عند درجة حرارة منخفضة فيكون التفاعل الثاني هو التفاعل المناسب.

مثال (5): إذا كان لديك التفاعل التالي:

لهذا التفاعل عند 25C^o

(1) إذا كانت قيمة ΔG = 91.9 kJ / mol عند 25C^o هل يكون التفاعل تلقائياً . 

(2) افرض ان ΔH و ΔS لا يتـغـيـران بارتفاع درجة الحرارة ، احسب ΔG عند 500C^o هـم حدد هل التفاعل تلقائي عند هذه الدرجة .

الحل:

(1) حيث أن 0 < ΔG إذن التفاعل غير تلقائي عند 25C^o .

(2)

حيث ان 0 > ΔG إذن التفاعل تلقائي عند 500C^o.