طاقة كبس الحرة

طاقة كبس الحرة

وجد العالم كبس (Gibbs) عام 1800 علاقة تربط بين الانثالبي والانتروبي تتيح التنبؤ بتلقائية التفاعل بشكل أبسط. أدخل دالة ثرموداينمكية جديدة سميت باسمه هي طاقة كبس الحرة ويرمز لها بالرمز G، وهي دالة حالة تصف الطاقة العظمى التي يمكن الحصول عليها بثبوت درجة الحرارة والضغط.

ويعرف التغير في طاقة كبس الحرة بعلاقة كبس (بثبوت درجة الحرارة والضغط):

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$$

وتدل إشارة $\Delta G$ على تلقائية التفاعل:

• إذا كانت $\Delta G < 0$ (قيمة سالبة): التفاعل أو التغير الفيزيائي يجري تلقائياً.
• إذا كانت $\Delta G > 0$ (قيمة موجبة): التفاعل غير تلقائي (يحدث تلقائياً بالاتجاه المعاكس).
• إذا كانت $\Delta G = 0$: التفاعل في حالة اتزان.

وتعرف طاقة كبس الحرة القياسية للتكوين بأنها مقدار التغير في الطاقة الحرة عند تكوين مول واحد من مركب من عناصره الأساسية بأثبت صورها عند الظروف القياسية.

وتحسب طاقة كبس الحرة القياسية للتفاعل من قيم التكوين: $\Delta G_r^\circ = \sum n\,\Delta G_f^\circ(\text{Products}) - \sum n\,\Delta G_f^\circ(\text{Reactants})$ مع $\Delta G_f^\circ(\text{Element}) = 0$.

تأثير إشارتي $\Delta H$ و $\Delta S$ على $\Delta G$

• $\Delta H$ موجبة و $\Delta S$ موجبة: تلقائي عند درجات الحرارة العالية فقط (عندما يكون $T\Delta S$ أكبر بالمقدار من $\Delta H$)، مثل $2HgO_{(s)} \rightarrow 2Hg_{(l)} + O_{2(g)}$.
• $\Delta H$ موجبة و $\Delta S$ سالبة: $\Delta G$ موجبة دائماً، غير تلقائي عند جميع درجات الحرارة، مثل $3O_{2(g)} \rightarrow 2O_{3(g)}$.
• $\Delta H$ سالبة و $\Delta S$ موجبة: $\Delta G$ سالبة دائماً، تلقائي عند جميع درجات الحرارة، مثل $2H_2O_{2(l)} \rightarrow 2H_2O_{(l)} + O_{2(g)}$.
• $\Delta H$ سالبة و $\Delta S$ سالبة: تلقائي عند درجات الحرارة المنخفضة فقط (عندما يكون $T\Delta S$ أصغر بالمقدار من $\Delta H$)، مثل $NH_{3(g)} + HCl_{(g)} \rightarrow NH_4Cl_{(s)}$.

وعند الظروف القياسية: $\Delta G_r^\circ = \Delta H_r^\circ - T\Delta S_r^\circ$ مع $T = 25 + 273 = 298\ K$. انتبه: يجب توحيد الوحدات، فتحوّل $\Delta S_r^\circ$ من $J/K.mol$ إلى $kJ/K.mol$ بالقسمة على $1000$ قبل التعويض.