پیش بینی جهت پیشرفت واکنش - انرژی آزاد گیبس

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
قانون اول ترمودینامیک راههای انتقال انرژی را در طی یک فرایند شیمیایی یا فیزیکی مورد بررسی قرار می دهد و به جهت انجام فرایندهای شیمیایی یا فیزیکی نمی پردازد. برخی از تحولات در هر شرایطی قابلیت انجام دارند و در هر شرایطی خودبخودی اند در حالیکه برخی دیگر از فرایندها در شرایط خاصی خودبخودی و در شرایطی دیگر غیر خودبخودی اندمنظور از یک تحول خود بخودی تحولی است که در شرایط خاصی از نظر دما و فشار بتواند به طور طبیعی صورت بگیرد به طور مثال در دمای بالاتر از صفر درجه ذوب یخ یک فرایند خودبخودی است روند عکس یعنی انجماد آب در این دما غیر خودبخودی است
به طور کلی در جهت پیشرفت خود بخودی یک واکنش دو عامل موثرند:

1) انرژی (آنتالپی)
2) بی نظمی (آنتروپی)
انرژی یا آنتالپی :

تمام سامانه ها متمایلند انرژی خود را رها کرده و به پایداری برسند. آب یک آبشار همواره به پایین می ریزد و انرژی پتانسیل سرشار خود را رها می کند و هیچ گاه به طور طبیعی عمل عکس صورت نمی گیرد وآب از پایین آبشار به بالا نمی جهد تا انرژی پتانسیل ذخیره کند.اما این به آن معنا نیست که فرایندهای گرماگیر هرگز به طور خودبخودی صورت نمی گیرند ملموس ترین مثال پدیده ذوب است که با آنکه گرماگیر است در دمای بالای صفر درجه بطور خودبخودی انجام می شود
آنتروپی:

تمام سامانه ها تمایل دارند وضعیتی را کسب کنند که در آن نظم کمتری وجود دارد از این رو تحولاتی که سبب افزایش بی نظمی می شوند بطور خودبخودی پیش می روند . یک باغچه تمیز و زیبا اگر کسی به آن رسیدگی نکند بتدریج نا­مرتب و پوشیده از علف های هرز می شود ولی هرگز بدون دخا­لت انسان یک باغچه نامرتب، تمیز و مرتب وبدون علف هرز نمی شـود. از نظر قوانیـن احتمال هم همواره شـانس ایجاد وضعیت بی نظم از وضعیت منظم بیشتر است.اگر شخصی مقداری آجر را به هوا پرتاب کند شانس اینکه آجرها با نظم و ترتیب روی هم قرار بگیرند بسیار کمتر از چیدمان نامنظم آنهاست

پیش بینی جهت پیشرفت واکنش :

آنتالپی و آنتروپی یک سامانه در طی یک انجام یک فرایند شیمیایی یا فیزیکی دستخوش تغییر می­شوند و تمایل سامانه ها برای دستیابی به حداقل آنتـالپی و حداکثر آنتـروپی جهت پیشرفت یک فرایند را تعیین می کند. به طور معمول در رخدادهای فیزیکی و شیمیایی یکی از حالت های زیر وجود دارد1)فرایندهایی که در آنها ∆H < 0 و S > 0 استدر این نوع واکنش ها هم عامل آنتالپی و هم عامل آنتروپی به صورت مساعد عمل کرده و موجب پیشرفت واکنش می شوند به عبارت بهتر هیچ عاملی جلوی انجام واکنش را نگرفته و موجب هدایت آن به سمت چپ نمیگردد بنابراین روند عکس این فرایندها هرگز صورت نگرفته و این واکنش­ها یک طرفه هستندطور مثال فرایند سوختن الکل فقط در مسیر رفت در هر شرایطی خودبخودی است و نمی توان از ترکیب آب و کربن دی اکسید دوباره الکل و اکسیژن ساخت.
2) فرایندهایی که در آنها ∆H > 0 و S > 0 است
در این واکنش­ها آنتالپی به شکل عامل نامساعد و آنتروپی به شکل عامل مساعد عمل می­کند یعنی آنتروپی موجب پیشرفت واکنش بطرف فراورده ها و عامل آنتالپی موجب برگشت تحول بطرف چپ می شود. بنابراین این نوع تحولات دوطرفه هستند و به هر دو طرف می توانند بطور خودبخودی صورت بگیرند
در واکنش هایی که آنتالپی و آنتروپی به طور ناهمسو عمل می­کنند دما تعیین کننده جهت پیشروی واکنش است:به طور کلی در دما­ های بالا آنتروپی و در دما­های پائین آنتالپی موفق تر عمل می کننداز این رو واکنش­هایی که عامل آنتالپی نامساعد و عامل آنتروپی مساعد است در دماهای بالا خود بخودی هستند. به همین دلیل است که تجزیه کلسیم کربنات دردمای پائین انجام نمی گیرد و فقط در دمای بالا به طورخودبخودی است


آنجماد آب تنها در دماهای پائین(کمتر از صفر درجه ) صورت می­گیرد به عبارت بهتر در دماهای پائین صفر انجماد آب خودبخودی ودر دمای بالای صفر درجه انجماد آب غیرخودبخودی است3) فرایندهایی که در آنها ∆H > 0 و S < 0 است در این نوع تحولات هیچ عامل مساعد پیش برنده ای وجود ندارد به همین دلیل صورت نمی گیرند و در هیچ شرایطی خودبخودی نیستند مثلا فرایند عکس سوختن اتانول غیر خودبخودی است



انرژی آزاد گیبس :


اثر 3 عامل آنتالپی، آنتروپی و دما برجهت انجام یک فرایند با کمیتی به نام انرژی آزاد گیبس نشان داده می شود. انرزی ازاد گیبس کمیتی است که مقدار نیروی پیشران یک فرایند را نشان می­دهد واز این رابطه محاسبه می شودG = H - TS
انرژی آزاد گیبس نیز تابع حالت است از این رو می توان نوشت:


[SUB]آغازی[/SUB]G - [SUB]پایانی[/SUB] G = ∆G


G = H - TS




G نتیجه عملکرد آنتالپی و آنتروپی را نشان می­دهد* اگر G منفی باشد واکنش خودبخودی است* اگر G مثبت باشد واکنش غیرخودبخودی استنتیجه بالا با نتیجه بدست آمده از بررسی عوامل آنتالپی و آنتروپی کاملا هماهنگ است یک بار دیگر 4 حالت واکنش­ها را مورد بررسی قرار می دهیم. نتیجه این بررسی در جدول زیر خلاصه شده است. قابل دقت است در این جدول عبارتG = H - TS بصورت(G = H+(- TSنمایش داده شده است .
نمایش داده شده است .دما T بر حسب کلوین بوده و همیشه مثبت است

 
بالا