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2.5 : ギブズの自由エネルギーと熱力学的好感度

プロセスの自発性はシステムの温度に依存します。 たとえば、相転移は、問題の物質の温度に応じて一方向または他の方向に自発的に進行します。 同様に、一部の化学反応も温度に依存して自発性を示すことがあります。 この概念を説明するために、自由エネルギーの変化をプロセスのエンタルピーおよびエントロピーの変化に関連付ける方程式を考慮します。

Eq1

プロセスの自由エネルギー変化の算術符号に反映されるプロセスの自発性は、エンタルピーとエントロピー変化の符号、場合によっては絶対温度によって決まります。 T は絶対 (ケルビン) 温度であるため、正の値のみを取ることができます。 したがって、エンタルピーとエントロピーの変化の兆候に関しては、次の 4 つの可能性が存在します。

1 ΔH とΔS は両方とも正です。 この状態は、システムのエントロピーの増加を伴う吸熱プロセスを表します。 この場合、TΔS 項の大きさが ΔH より大きい場合、ΔG は負になります。 TΔS 項が ΔH より小さい場合、自由エネルギー変化は正になります。 このようなプロセスは、高温では自発的ですが、低温では非自発的です。

2 ΔH とΔS は両方とも負です。 この状態は、システムのエントロピーの減少を伴う発熱プロセスを表します。 この場合、TΔS 項の大きさが ΔH より小さい場合、ΔG は負になります。 TΔS 項の大きさが ΔH より大きい場合、自由エネルギー変化は正になります。 このようなプロセスは、低温では自発的ですが、高温では非自発的です。

3 ΔH は正、ΔS は負です。 この状態は、システムのエントロピーの減少を伴う吸熱プロセスを表します。 この場合、ΔG は温度に関係なく正になります。 このようなプロセスは、どの温度でも非自発的に行われます。

4 ΔH は負、ΔS は正です。 この状態は、システムのエントロピーの増加を伴う発熱プロセスを表します。 この場合、温度に関わらずΔGは負となります。 このようなプロセスは、すべての温度で自発的に発生します。

プロセスの自由エネルギー変化は、その推進力の尺度として見ることができます。 ΔGの負の値は順方向のプロセスの駆動力を表し、正の値は逆方向のプロセスの駆動力を表す。 ΔGrxn がゼロの場合、順方向と逆方向の駆動力は等しく、プロセスは両方向に同じ速度で発生します (システムは平衡状態にあります)。

Q はシステムの質量作用式の数値であり、その値は平衡を達成するために反応が進行する方向を特定するために使用できることを思い出してください。 Q が平衡定数 K より小さい場合、反応は平衡に達し Q = K になるまで順方向に進みます。逆に、Q > K の場合、プロセスは平衡に達するまで逆方向に進みます。

非標準条件(100 kPa 以外の圧力、1 M 以外の濃度)下で存在する反応物および生成物を使用して起こるプロセスの自由エネルギー変化は、次の方程式に従って標準自由エネルギー変化に関連します。

Eq2

R は気体定数 (8.314 J/K mol)、T はケルビンまたは絶対温度、Q は反応商です。 平衡状態にあるシステムの場合、Q = K および ΔG = 0 であり、前の式は次のように書くことができます。

Eq3

Eq4

この形式の方程式は、これら 2 つの必須の熱力学特性間の有用なリンクを提供し、標準自由エネルギー変化から平衡定数を導出したり、その逆に平衡定数を導出したりするために使用できます。 標準自由エネルギー変化と平衡定数の関係を以下にまとめます。

K > 1、ΔG° < 0 の場合、生成物は反応混合物中でより豊富になります。

K < 1、ΔG° > 0 の場合、反応物は反応混合物中にさらに豊富に存在します。

K = 1、ΔG° = 0 の場合、反応物と生成物は反応混合物中に比較的豊富に存在します。

このテキストはから翻案されます Openstax, Chemistry 2e, Section 16.4: Free Energy.  

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Gibbs Free EnergyThermodynamic FavorabilitySpontaneityTemperaturePhase TransitionsChemical ReactionsFree Energy ChangeEnthalpy ChangeEntropy ChangeAbsolute TemperatureEndothermic ProcessSystem EntropyExothermic Process

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