Av John Brennan – Uppdaterad 30 augusti 2022

Att veta om en reaktion kommer att inträffa av sig själv är en hörnsten i kemin. En reaktion som fortskrider utan extern energitillförsel kallas termodynamiskt spontan. Nyckelindikatorn på spontanitet är standard Gibbs fria energiförändring, ΔG°, som jämför den fria energin hos produkter och reaktanter i deras standardtillstånd. En negativ ΔG° signalerar en spontan reaktion som skriven; ett positivt värde indikerar att reaktionen är icke-spontan under de aktuella förhållandena.

Steg 1 – Skriv den balanserade ekvationen

Börja med att skriva en komplett, balanserad kemisk ekvation för reaktionen. Om du behöver en uppfräschning om hur du gör detta, konsultera den introduktionsresurs som länkas nedan. Till exempel skrivs förbränning av metan som:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Steg 2 – Hämta termodynamiska data

Öppna NIST Chemical WebBook (en pålitlig, auktoritativ databas). Sök efter varje art i din ekvation för att erhålla standardentalpi för bildning, ΔfH°, och standard molär entropi, S°, värden. Dessa är vanligtvis listade i kJmol⁻ⁱ respektive Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ.

Steg 3 – Beräkna standardentalpi för reaktion

Summa ΔfH°-värdena för alla produkter, summera sedan dem för alla reaktanter. Subtrahera reaktanternas totalsumma från produkternas totalsumma för att få standardentalpiförändringen, ΔH°:

ΔH° =ΣΔfH°(produkter) – ΣΔfH°(reaktanter)

Exempel på metanförbränning:

• ΔfH°(CH4) =–74,5 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(CO₂) =–393,5 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(H2O, l) =–285,8 kJmol⁻ⁱ
• ΔfH°(O2, g) =0 (per definition)

Produkter:–393,5 + 2(–285,8) =–965,1 kJmol⁻ⁱ
Reaktanter:–74,5 kJmol⁻ⁱ
ΔH° =–965,1 – (–74,5) =–890,6 kJmol⁻ⁱ

Steg 4 – Beräkna standardentropiändring

Summa S°-värdena för produkter och reaktanter separat, subtrahera sedan reaktanter från produkter för att hitta ΔS°:

ΔS° =ΣS°(produkter) – ΣS°(reaktanter)

Exempelvärden:

• S°(CH4) =186,25 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(CO₂) =213,79 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(H2O, l) =69,95 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
• S°(O₂, g) =205,15 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ

Reaktanter:186,25 + 2(205,15) =596,55 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
Produkter:2(69,95) + 213,79 =353,69 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ
ΔS° =353,69 – 596,55 =–242,86 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ

Steg 5 – Konvertera entropiändring till kJmol⁻ⁱ

Multiplicera ΔS° med den absoluta temperaturen (298,15K för rumstemperatur) och dividera med 1000 för att rikta in enheterna med ΔH°:

(–242,86 Jmol⁻ⁱK⁻ⁱ) × 298,15K ÷ 1000 =–72,41 kJmol⁻ⁱ

Steg 6 – Beräkna standard Gibbs Free Energy

Subtrahera den temperaturskalade entropitermen från entalpitermen:

ΔG° =ΔH° – TΔS° =(–890,6 kJmol⁻ⁱ) – (–72,41 kJmol⁻ⁱ) =–818,2 kJmol⁻ⁱ

En negativ ΔG° bekräftar att metanförbränningsreaktionen är termodynamiskt spontan vid 298,15K.

Vad du behöver

• Blyerts och papper (eller ett digitalt kalkylblad)
• Vetenskaplig kalkylator eller beräkningsprogram
• Tillgång till pålitliga termodynamiska tabeller (t.ex. NIST Chemical WebBook)

Referenser

• Atkins, P., et al. Kemiska principer:The Quest for Insight . 2008.
• Vollhardt, P., et al. Organisk kemi, struktur och funktion . 2011.