Perubahan Energi Bebas Standar
Katakanlah Anda pergi ke toko minuman ringan di London dan memesan sekaleng cola ukuran standar mereka. Saya berasumsi bahwa ukuran kalengnya akan sama dengan kaleng cola standar yang Anda beli di AS. Bayangkan keterkejutan Anda ketika kaleng London hampir 10% lebih kecil.
Huh, sangat standar. Dalam hal ini, ukuran standar sebenarnya bukan standar sama sekali. Tidak yakin apa yang diharapkan saat memesan sekaleng cola standar di berbagai negara.
Dalam sains dan kimia, kita harus lebih tepat. Ketika kami mengatakan standar, kami membutuhkan semua orang di seluruh dunia untuk mengetahui dengan tepat apa arti standar. Standar ditentukan dengan tepat.
Oke, mari pertimbangkan ini sedikit lebih jauh dengan topi termodinamika kita. Anda mungkin ingat bahwa energi bebas Gibbs memberi tahu kita apakah reaksi itu spontan atau tidak. Ketika kita menghitung perubahan energi bebas Gibbs dari suatu reaksi, kita sering menggunakan persamaan ini:
delta G ^0 = delta H ^0 – T delta S ^0
di mana delta G adalah perubahan energi bebas, delta H adalah perubahan entalpi, T adalah suhu dalam Kelvin, dan delta S adalah perubahan entropi.
Perhatikan tanda derajat kecil pada masing-masing huruf:
 |
| Kondisi standar |
Ini menunjukkan bahwa kita berada dalam kondisi standar. Oleh karena itu, kami mengukur perubahan energi bebas standar: zero delta G atau standard delta G.
Dalam termodinamika, kondisi standarnya adalah gas pada satu atmosfer tekanan parsial dan ion atau molekul dalam larutan pada satu konsentrasi molar. Penting untuk dicatat bahwa suhu tidak dimasukkan sebagai kondisi standar. Namun, nilai termodinamika pada 25 derajat Celcius biasanya ditemukan di tabel data.
Ketika kita mengukur delta G standar , kita dapat mengetahui apakah reaksi itu spontan dalam kondisi standar. Persamaan umumnya adalah A + B bentuk C + D .
Jika standar delta G negatif, reaksi berlangsung spontan dalam kondisi standar. Dengan kata lain, reaksi akan berlangsung secara spontan untuk membentuk produk. Jika standar delta G positif, reaksi tidak spontan dalam kondisi standar. Dengan kata lain, reaksi tidak akan berlanjut menjadi produk; sebaliknya, reaksi kebalikannya spontan.
Jika delta standar G adalah nol, sistem berada dalam kesetimbangan pada kondisi standar. Kali ini, laju reaksi maju dan mundur sama, dan sistem berada dalam kesetimbangan. Tidak ada kecenderungan reaksi berjalan ke arah mana pun.
Jadi, untuk membantu meluruskannya, ingat frasa kecil ini: Fisikawan Forensik Nakal Ingat Persamaan Nol, yaitu, jika Delta G standar adalah Negatif, reaksinya bergeser Maju . Jika Positif, reaksi bergerak dalam R Reverse . Ketika standar delta G sama dengan Nol, reaksi berada di E Quilibrium .
Perubahan daya gratis: semua kondisi
Memang benar bahwa kita sering bekerja dalam kondisi standar, sehingga kita dapat menghitung perubahan energi bebas standar. Tetapi berguna untuk mendefinisikan persamaan yang memungkinkan kita menghitung perubahan energi bebas dalam semua kondisi, khususnya kondisi konsentrasi, karena kita biasanya selalu dalam kondisi tekanan standar.
Dalam semua kondisi, ternyata kita memiliki hubungan berikut:
delta G = delta G ^0 + RT di Q
Di sini, delta G pada kondisi apa pun sama dengan delta standar G ditambah konstanta gas R , dikalikan suhu ( T ) dalam Kelvin, dikalikan logaritma natural hasil bagi reaksi. Perhatikan bahwa tanda derajat kecil telah menghilang pada delta pertama G :
 |
| semua kondisi |
Hasil bagi reaksi ( Q ) mengukur jumlah relatif produk dan reaktan yang ada selama reaksi pada waktu tertentu.
Sekarang, kita tidak akan menggunakan persamaan ini untuk melakukan perhitungan dalam pelajaran ini. Namun sebaliknya, kita menggunakannya untuk membuat hubungan antara energi bebas dan besaran lain yang sangat penting, konstanta kesetimbangan.
energi kesetimbangan bebas dan konstan
Konstanta kesetimbangan ( K ) adalah cara lain untuk mengetahui apakah suatu reaksi bersifat spontan. Jadi mari kita lihat bagaimana kaitannya dengan energi bebas. Ingat bahwa Q memberi tahu kita rasio produk terhadap reaktan dalam campuran reaksi. Juga benar bahwa bila suatu reaksi berada dalam kesetimbangan, maka Q = K . Dan terakhir, kita juga baru mengetahui bahwa delta kesetimbangan G = 0.
Mengganti semua informasi ini ke dalam persamaan kita, sekarang kita dapat melihat hubungan berikut:
0 = delta G ^0 + RT di K
Jadi, sederhananya, kita berakhir dengan:
delta G ^ 0 = – RT di K
Di sini, delta standar G sama dengan negatif R , konstanta gas, dikalikan temperatur dalam Kelvin, dikalikan logaritma natural dari konstanta kesetimbangan.
Hubungan ini memungkinkan kita untuk secara langsung menghubungkan perubahan energi bebas standar dengan konstanta kesetimbangan. Ini juga memberi tahu kita tentang sejauh mana reaksi.
Jadi, mari kita jelajahi ini lebih jauh.
Jika delta standar G kurang dari -20 kJ, konstanta kesetimbangan sangat besar sehingga hampir semua reaktan diubah menjadi produk. Kami mengatakan bahwa reaksi selesai.
Jika standar delta G lebih dari +20 kJ, konstanta kesetimbangan sangat kecil sehingga hampir tidak ada reaktan yang diubah menjadi produk. Kami mengatakan bahwa reaksi tidak terjadi.
Jika standar delta G antara -20 kJ dan +20 kJ, maka ada kesetimbangan, campuran reaktan dan produk. Dan ketika delta G = 0, K = 1 dan jumlah keduanya sama.
Jadi Anda dapat melihat bahwa mengetahui ukuran dan tanda delta G adalah informasi yang sangat berharga.
Hitung tetapan kesetimbangan
Untuk mengakhiri pelajaran ini, mari kita lakukan perhitungan cepat. Ini akan memperkuat hubungan antara dua besaran penting ini.
Oke, mari kita hitung tetapan kesetimbangan, K , pada 25 derajat C , di mana perubahan energi bebas standar untuk reaksi tersebut adalah +27,3 kJ.
Jadi, dengan menggunakan persamaan kita:
delta G ^ 0 = – RT di K
Anda cukup mengatur ulang agar kita dapat menghitung K . Faktanya, logaritma natural dari K dihitung , jadi kita punya K .
di K = – delta G ^ 0 / RT
Jadi, sekarang mari kita taruh angkanya.
Sekarang perhatikan bentuk konstanta gas apa yang telah kita gunakan. Penting bagi kita untuk menggunakan konstanta gas yang benar dengan satuan energi yang benar. Nilai ini diberikan kepada Anda atau Anda dapat mencarinya di tabel data. Tapi Anda harus memastikannya dalam kilojoule.
LnK = -27,3kJ /(8,31*10^-3kJ/ K)(298K)
Jadi, memasukkan angka, menghasilkan ln K = -11.0 dan K = 1.7 x 10^-5.
Dari penjelasan di atas, kita mengetahui bahwa jika nilai energi bebas lebih besar dari kira-kira +20 kJ, maka tetapan kesetimbangan akan sangat kecil. Nilai yang kami hitung ternyata sangat kecil seperti yang diperkirakan. Ini juga memberi tahu kita bahwa reaksinya tidak spontan dan tidak akan terjadi.
Ringkasan Pelajaran
Dalam pelajaran ini, Anda telah mempelajari bahwa energi bebas Gibbs dan konstanta kesetimbangan adalah cara untuk mengetahui apakah suatu reaksi bersifat spontan atau tidak. Reaksi spontan memiliki delta G negatif dan nilai K. Reaksi non-spontan memiliki delta G positif dan nilai K kecil . Ketika delta G sama dengan nol dan K sekitar satu, reaksi berada dalam kesetimbangan. Anda telah mempelajari hubungan yang menyatukan kedua sifat ini. Hubungan ini memungkinkan kita untuk menghubungkan perubahan energi bebas standar dengan konstanta kesetimbangan. Ini juga memberi tahu kita tentang sejauh mana reaksi. Dan terakhir, dalam termodinamika, kondisi standarnya adalah gas pada satu atmosfer tekanan parsial, dan ion serta molekul dalam larutan pada satu konsentrasi molar.
hasil pembelajaran
Setelah pelajaran ini, Anda harus dapat:
- Jelaskan bagaimana menggunakan energi bebas Gibbs dan konstanta kesetimbangan untuk menentukan apakah suatu reaksi bersifat spontan.
- Mengidentifikasi kondisi standar dalam termodinamika.
- Ingat kembali persamaan untuk perubahan energi bebas dalam kondisi standar dan dalam semua kondisi.
