الدرس: 1-16-1 طاقة كبس الحرة القياسية للتفاعل

طاقة كبس الحرة القياسية للتفاعل

• من الخواص المفضلة للتحولات التلقائية هي أن ترافقها زيادة في الانتروبي أي تكون Δ S موجبة وأن يرافقها انبعاث في الحرارة أي ΔH سالبة إلا أن هناك تحولات تلقائية يرافقها تناقص في العشوائية أو امتصاص في الانثالبي لذلك فإن معرفة Δ S بمفردها وبمعزل عن ΔH وبالعكس لا يساعد في تحديد وبشكل دقيق.
• إمكانية حصول التغير بشكل تلقائي أو لا تلقائي ولغرض تحديد إمكانية معرفة تلقائية التحولات من عدمها استطاع العالم كبس أن يدخل دالة ثرموداينمكية جديدة سميت باسمه تسمى (طاقة كبس الحرة) ويرمز لها بالرمز G ويعرف التغير في الطاقة الحرة بعلاقة كبس وهي علاقة تربط بين التغير بالانثالبي
• والتغير في الانتروبي عند درجة حرارة وضغط ثابتين ΔG = ΔH - T ΔS علاقة كبس بثبوت درجة الحرارة والضغط وكما هو واضح فإن التغير في الطاقة الحرة يعتمد على دالتي الحالة (الانثالبي والانتروبي) لذلك فإن الطاقة الحرة هي أيضاً دالة حالة لا تعتمد على المسار ولكن تعتمد على الحالة الأولية والنهائية ولما كان التفاعل التلقائي يكون مصحوباً بانخفاض في الانثالبي وهي جزء من الطاقة الحرة وكذلك يكون مصحوب في زيادة في الانتروبي وهي جزء من الطاقة الحرة وعلى ضوء ذلك يمكن اعتبار ΔG كمقياس للقوة المسيرة (المفيدة) للتفاعل.
• الطاقة الحرة: هي القوة المسيرة للتفاعلات الكيميائية والتحولات الفيزيائية وهي دالة الحالة التي تحدد تلقائية أو لا تلقائية العمليات في الطبيعة وتصف الطاقة العظمى التي يمكن الحصول عليها من قياس التغير في الانثالبي والتغير في الانتروبي بثبوت درجة حرارة والضغط وعندما تكون قيمتها موجبة ΔG>0 يكون التفاعل أو التحول غير تلقائي وعندما تكون قيمتها سالبة ΔG<0 يكون التفاعل أو التحول تلقائياً أما إذا كانت قيمتها تساوي صفر ΔG=0 يكون عندها التفاعل أو التحول في حالة اتزان.

تعد طاقة كبس الحرة مؤشراً حقيقياً لتلقائية التفاعلات من عدمها؟

لأنها تتيح لنا التنبؤ بتلقائية التفاعلات من عدمها بشكل أبسط من الاعتماد على استخدام قيم الانثالبي والانتروبي كلاً على انفراد وذلك من خلال تحديد إشارتها فإذا كانت موجبة تعني أن التفاعل أو التحول غير تلقائي وإذا كانت سالبة تعني أن التفاعل تلقائي وإذا كانت تساوي صفر فإن التفاعل أو التحول في حالة اتزان.

طاقة كبس الحرة القياسية للتفاعل ΔG_r

هي التغير في قيمة الطاقة الحرة القياسية للتفاعل عندما يجري تحت ظروف قياسية (1atm,25c) ووحدتها حسب الوحدات الدولية هي: J / mol او KJ / mol.

حساب طاقة كبس الحرة القياسية للتفاعل:

يمكننا حساب طاقة كبس الحرة القياسية باستخدام قيم طاقة كبس الحرة للتكوين القياسية باستخدام العلاقة الآتية:

(ΔG_r = Σ n ΔG_f (Products) – Σ n ΔG_f (Reactant

طاقة كبس الحرة للتكوين القياسية ΔG_f: هي مقدار الطاقة الحرة القياسية عند تكوين مول واحد من المادة وبأثبت صورها تحت الظروف القياسية (1atm,25c) ووحدتها حسب الوحدات الدولية هي: J / mol او KJ / mol.

جد قيمة ΔG_r للتفاعل التالي 2N0+o2$\to$2NO₂

عند الظروف القياسية وبين هل التفاعل يحدث تلقائي أم لا يحدث إذا علمت أن:

ΔG_f(N0₂)=52kJ/mol

ΔG_f(N0)=87kJ/mol

$$\begin{gathered} 2\mathrm{NO}+{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{NO}}_2 \\ 2\times 8702\times 52 \\ \mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}^{\circ }=\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}^{\circ }}_{\mathrm{f}}\text{( Products)}-\mathrm{\Sigma n\Delta }{{\mathbf{G}}^{\circ }}_{\mathrm{f}}\text{( Reactant )} \\ \mathrm{\Delta }{G}^{\circ }=\left[\left(2\times \mathrm{\Delta }{G^{\circ }}_{f}N{O}_2\right)\right]-\left[\left(2\times \mathrm{\Delta }{G^{\circ }}_{f}NO+\mathrm{\Delta }{G^{\circ }}_f{O}_2\right)\right] \\ \left.{{\mathrm{\Delta G}}_{\mathrm{O}}}_{\mathrm{l}}=\left[\right(2\times 52)\mathrm{KJ}/\mathrm{mol}]-\left[\right(2\times 87)\mathrm{KJ}/\mathrm{mol})+\left(0\right)\right]/\mathrm{mol} \\ \mathrm{\Delta }{G}_r^{\circ }=-70\mathrm{KJ} \end{gathered}$$

وبما أن القيمة سالبة إذن التفاعل يجري بشكل تلقائي.

احسب الطاقة الحرة القياسية للتفاعل التالي عند الظروف القياسية (1atm,25c) ثم بين هل يجري التفاعل تلقائياً أم لا عند هذه الظروف: 2C₆H_{6( L )} +15 O₂$\to$12CO ₂ + 6H₂ O_{( L)}

ΔG_f(CO₂)=-394kJ/mol

ΔG_f(C₆H₆)=173kJ/mol

ΔG_f(H₂O)=-237kJ/mol

$$\begin{gathered} \mathrm{\Delta }{G}^{\circ }=\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{G}^{\circ }\mathbf{f}\text{( Products)}-\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{G}_f^{\circ }\text{( Reactant )} \\ \begin{array}{r}\mathrm{\Delta }{G^{\circ }}_{\mathrm{r}}=\left[\left(12\times \mathrm{\Delta }{G_f}^0\mathrm{CO}2\right)+\left(6\times \mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}_{\mathrm{f}}}^0\mathrm{H}2\mathrm{O}\right)\right]-\left[2\times \mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}_{\mathrm{f}}}^0\mathrm{C}6\mathrm{H}6+15\times \mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}_{\mathrm{f}}}^0\mathrm{O}2\right]\\ \\ \mathrm{\Delta }{G}_r^{\circ }=\left[\right(12\times -394\mathrm{kj}/\mathrm{mol})+(6\times -237\mathrm{Kj}/\mathrm{mol}\left)\right]-[2\times 173\mathrm{kj}/\mathrm{mol}+15\times 0]\\ \\ \mathrm{\Delta }{G}_r^{\circ }=-6496\mathrm{KJ}\end{array} \end{gathered}$$

التفاعل 2CO$\to$CO₂+C إذا علمت أن ΔG_f ل CO₂ وCO هي على لترتيب 394KJ/mol و137KJ/mol- احسب الطاقة الحرة للتفاعل ثم بين هل يحدث التفاعل بشكل تلقائي أم لا يحدث؟

$$\begin{gathered} 2{\mathrm{CO}}_{\mathrm{g}}\to {\mathrm{CO}}_{2\mathrm{g}}+{\mathrm{C}}_{\text{(graphite)}} \\ 2x-137-3940 \\ \begin{array}{r}\mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}_r^{\circ }=\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}_f^{\circ }\text{(Products)}-\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}_f^{\circ }\text{( Reactant)}\\ \\ \mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}_{\mathrm{r}}^{\circ }=\left[\left(\mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}^{\circ }}_f{\mathrm{CO}}_2+\mathrm{\Delta }{{\mathbf{G}}^{\circ }}_f\mathrm{C}\right)\right]-\left[\left(2\times \mathrm{\Delta }{\mathbf{G}}_f^{\circ }\mathrm{CO}\right]\right.\\ \mathrm{\Delta }{G}_r^{\circ }=\left[\right(1-394\mathrm{KJ}/\mathrm{mol})+(0\left)\right]-\left[\right(2\mathrm{X}-137\mathrm{KJ}/\mathrm{mol}\left)\right]=-120\mathrm{KJ}/\mathrm{mol}\end{array} \end{gathered}$$