Entalpi & Gibbs fria energi
På nivå 2 beskrivs energiändringar kvantitativt med entalpi och Gibbs fria energi. Begreppen hjälper dig att skilja mellan hur mycket energi som överförs och om en process är termodynamiskt gynnsam under givna förhållanden.
- Nivå 2
Förstå → Se exempel → Träna
Förstå
Bevarandelagar och energibokföring
Även på nivå 2 är materiens och energins oförstörbarhet utgångspunkten. Atomer bevaras och omgrupperas i reaktionen, medan energi överförs mellan system och omgivning. Entalpiändringen är ett sätt att kvantifiera en del av denna energibokföring vid konstant tryck.
Entalpiändring
Vid konstant tryck kan entalpiändringen ΔH användas för att beskriva värme som tas upp eller avges. Exoterma reaktioner har negativ ΔH och endoterma positiv ΔH enligt den vanliga teckenkonventionen.
Hess lag
Eftersom entalpi är en tillståndsfunktion beror den totala entalpiändringen bara på start- och sluttillstånd. Därför kan ΔH för en reaktion beräknas genom att kombinera andra reaktioners entalpiändringar.
Entropi
Entropi beskriver hur energi och partiklar kan fördelas mellan möjliga mikrotillstånd. Processer som ökar antalet möjliga fördelningar har ofta positiv entropiändring ΔS.
Gibbs fria energi
Gibbs fria energi sammanfattas i ΔG = ΔH − TΔS. Vid konstant temperatur och tryck är en process termodynamiskt spontan i den skrivna riktningen när ΔG är negativ.
Spontanitet är inte samma sak som hastighet
En reaktion kan ha negativ ΔG men ändå gå mycket långsamt på grund av hög aktiveringsenergi. Termodynamik beskriver drivkraft och jämvikt, medan kinetik beskriver hur snabbt processen sker.
Exempel
Exempel: en reaktion med negativ ΔH men negativ ΔS
- Reaktionen avger energi, så ΔH är negativ.
- Samtidigt minskar entropin, så ΔS är negativ.
- Termen −TΔS blir då positiv och motverkar spontanitet.
- Vid låg temperatur kan ΔH dominera, medan högre temperatur kan göra ΔG mindre gynnsam.
Så gör du
- 1Identifiera tecknet och värdet på ΔH.
- 2Bedöm eller beräkna ΔS.
- 3Sätt in värdena i ΔG = ΔH − TΔS med temperaturen i kelvin.
- 4Tolka tecknet på ΔG.
- 5Skilj slutsatsen om spontanitet från frågan om reaktionshastighet.
Vanliga misstag
Vanligt misstag
Negativ ΔH betyder alltid att reaktionen är spontan.
Bättre
Spontanitet beror på både ΔH och TΔS.
Entropibidraget kan ändra slutsatsen.
Vanligt misstag
Negativ ΔG betyder att reaktionen sker snabbt.
Bättre
ΔG säger inget direkt om reaktionshastigheten.
En stor aktiveringsenergi kan göra en spontan reaktion mycket långsam.
Vanligt misstag
Hess lag fungerar bara om delreaktionerna sker i verkligheten exakt i den ordningen.
Bättre
Hess lag bygger på att entalpi är en tillståndsfunktion.
Bara start- och sluttillstånd påverkar den totala ΔH.
Fundera
Varför behöver kemi både termodynamik och kinetik för att beskriva om och hur en reaktion sker?
Träna
Övning
En reaktion har ΔH = −40 kJ/mol och ΔS = −100 J/(mol·K). Beräkna ΔG vid 298 K och avgör om reaktionen är termodynamiskt spontan under dessa förhållanden.
Sammanfattning
- ΔH beskriver entalpiändringen och har negativt tecken för exoterma reaktioner.
- Hess lag gör det möjligt att kombinera reaktionsentalpier.
- ΔS beskriver förändring i entropi.
- ΔG = ΔH − TΔS används för att bedöma termodynamisk spontanitet.
- Spontanitet och reaktionshastighet är olika saker.
Relaterade genomgångar
Fortsätt med något som hänger ihop med den här genomgången.
Materiens & energins oförstörbarhet
Förstå varför atomer och total energi bevaras även när ämnen omvandlas i kemiska reaktioner.
Läs genomgångenOrganisk struktur, ämnesklasser & reaktivitet
Fördjupa sambandet mellan funktionella grupper, isomeri, struktur, egenskaper och reaktivitet.
Läs genomgångenOorganiska ämnen & hållbar utveckling
Analysera hur metaller, mineral och andra oorganiska ämnen kopplas till resurser, teknik och hållbarhet.
Läs genomgången