Back to chapter

17.9:

Verandering in Vrije Energie voor Niet-Standaard Condities

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Free Energy Changes for Nonstandard States

Idiomas

COMPARTILHAR

De standaard vrije energieverandering voor een reactie kan alleen worden bepaald als deze plaatsvindt onder standaardtoestanden wanneer zowel de reactanten als de producten zich in hun standaardtoestanden bevinden. De meeste chemische reacties vinden echter niet onder deze omstandigheden plaats. Onder alle omstandigheden standaard of niet-standaard wordt de relatieve hoeveelheid producten en reactanten die in een reactie aanwezig zijn, beschreven door het reactiequotiënt, Q.Voor reacties die plaatsvinden in oplossing, wordt Q berekend uit de verhouding van de product-en reactantconcentraties, waarbij elke reagensconcentratie wordt verhoogd tot de kracht van zijn stoichiometrische coëfficiënt.Voor gasvormige reacties kunnen de partiële drukken van de gassen worden gebruikt in plaats van concentraties. De vrije energieverandering van een reactie is gelijk aan de som van de vrije energieverandering in standaardtoestand voor de reactie, delta G nul en RT maal de natuurlijke log van Q.Hier is R de universele gasconstante in joules per mol-kelvin, en T is de temperatuur van de reactie in kelvin. Bij constante temperatuur heeft de vrije energie in standaardtoestand een vaste waarde, maar Q varieert omdat deze afhangt van de samenstelling van het reactiemengsel.Beschouw de synthese van ammoniakgas uit stikstof en waterstof bij 298 kelvin. Onder standaardomstandigheden, die voor een gas het zuivere gas is bij 1 atm, zijn de partiële drukken van alle componenten gelijk aan 1 atm, en is de grootte van het reactiequotiënt gelijk aan 1. De vrije energieverandering van de reactie is dus gelijk aan de standaard vrije energieverandering van de reactie, negatief 32, 8 kilojoules per mol, en de voorwaartse reactie is spontaan.Onder niet-standaardomstandigheden kunnen de componenten van het reactiemengsel aanvankelijk een partiële druk hebben van 1, 2 atmosfeer stikstof, 3, 6 atmosfeer waterstof en 0, 60 atmosfeer ammoniak. Zoals eerder kan het reactiequotiënt worden bepaald uit de waarden voor de partiële drukken. Als je Q in de vergelijking vervangt, is de vrije energie voor de reactie min 45, 3 kilojoules per mol negatief, wat duidt op een spontane reactie in voorwaartse richting.Naarmate de voorwaartse reactie vordert, wordt meer ammoniak geproduceerd en verandert de reactiesamenstelling. Wanneer de reactanten en producten in evenwicht zijn, is de vrije energieverandering voor de reactie nul, en is de waarde van RT maal de natuurlijke log van Q gelijk en tegengesteld in teken aan de standaard vrije energieverandering. Als het reactiemengsel nu 0, 02 atmosfeer stikstof, 0, 06 atmosfeer waterstof en 4, 8 atmosfeer ammoniak bevat, is Q veel groter en is de verandering in vrije energie 5, 6 kilojoule per mol.Een positieve vrije energieverandering geeft aan dat de omgekeerde reactie energetisch gunstig is. Aldus ontleedt ammoniak onder deze omstandigheden om stikstof en waterstof te produceren.

17.9:

Verandering in Vrije Energie voor Niet-Standaard Condities

The free energy change for a process taking place with reactants and products present under nonstandard conditions (pressures other than 1 bar; concentrations other than 1 M) is related to the standard free energy change according to this equation:

 Eq1

where R is the gas constant (8.314 J/K·mol), T is the absolute temperature in kelvin, and Q is the reaction quotient. This equation may be used to predict the spontaneity of a process under any given set of conditions.

Reaction Quotient (Q)

The status of a reversible reaction is conveniently assessed by evaluating its reaction quotient, Q. For a reversible reaction described by

 Eq1

the reaction quotient is derived directly from the stoichiometry of the balanced equation as

 Eq1

where the subscript c denotes the use of molar concentrations in the expression. The concentration-based reaction quotient, Qc, is used for condensed phase equilibria. If the reactants and products are gaseous, a reaction quotient may be similarly derived using partial pressures:

 Eq1

Under standard conditions, the reactant and product solution concentrations are 1 M, or the pressure of gases is 1 bar, and Q is equal to 1. Therefore, under standard conditions

 Eq1

Under nonstandard conditions, Q must be calculated.

The numerical value of Q varies as a reaction proceeds towards equilibrium; therefore, it can serve as a useful indicator of the reaction’s status. To illustrate this point, consider the oxidation of sulfur dioxide:

 Eq1

Consider two different experimental scenarios, one in which this reaction is initiated with a mixture of reactants only, SO2 and O2, and another that begins with only the product, SO3. For the reaction that begins with a mixture of reactants only, Q is initially equal to zero:

 Eq1

As the reaction proceeds toward equilibrium in the forward direction, reactant concentrations decrease (as does the denominator of Qc), product concentration increases (as does the numerator of Qc), and the reaction quotient consequently increases. When equilibrium is achieved, the concentrations of reactants and products remain constant, as does the value of Qc.

If the reaction begins with only the product present, the value of Qc is initially undefined (immeasurably large or infinite):

 Eq1

In this case, the reaction proceeds toward equilibrium in the reverse direction. The product concentration and the numerator of Qc decrease with time, the reactant concentrations and the denominator of Qc increase, and the reaction quotient consequently decreases until it becomes constant at equilibrium.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy and Openstax, Chemistry 2e, Chapter 13.2: Equilibrium Constants.