MolDraw › Công cụ hóa học › Máy tính năng lượng tự do Gibbs
Máy tính năng lượng tự do Gibbs (ΔG = ΔH − TΔS)
Tóm tắt: Máy tính năng lượng tự do Gibbs: giải ΔG = ΔH − TΔS cho ΔG, ΔH, T hoặc ΔS, tìm nhiệt độ chuyển tiếp, chuyển đổi giữa ΔG° và K, và hiệu chỉnh ΔG cho điều kiện không chuẩn. Miễn phí, chạy ngay trên trình duyệt và không cần tải về.
Nhập ba trong bốn giá trị ΔG, ΔH, T và ΔS để tìm giá trị thứ tư. ΔS có thể theo J hoặc kJ, và T theo °C hoặc K. Kết quả cho biết quá trình có tự diễn biến không, thuộc trường hợp dấu nào trong bốn trường hợp và nhiệt độ chuyển tiếp. Các tab khác chuyển ΔG° sang K (hiển thị dạng ký hiệu khoa học, kể cả với giá trị rất lớn) và áp dụng ΔG = ΔG° + RT ln Q.
Điền ba giá trị và để trống giá trị bạn muốn tìm.
ΔG° = −RT ln K. Điền một trong hai ΔG° hoặc K.
Công thức năng lượng tự do Gibbs
ΔG = ΔH − TΔS nhiệt độ chuyển tiếp (ΔG = 0): T = ΔH / ΔS
ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K K = e^(−ΔG°/RT) ΔG = ΔG° + RT ln Q
R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹ và T tính bằng kelvin. ΔH và ΔG thường theo kJ/mol còn ΔS theo J/(mol·K), nên hãy chia ΔS cho 1000 trước khi kết hợp. ΔG < 0 nghĩa là quá trình tự diễn biến ở nhiệt độ đó. Nó không cho biết quá trình diễn ra nhanh hay chậm.
Tính tự diễn biến: bốn trường hợp dấu
| ΔH | ΔS | ΔG = ΔH − TΔS | Tự diễn biến? | Ví dụ |
|---|---|---|---|---|
| − (tỏa nhiệt) | + | Luôn âm | Ở mọi nhiệt độ | 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ |
| + (thu nhiệt) | − | Luôn dương | Không bao giờ (chiều nghịch tự diễn biến) | 3O₂ → 2O₃ |
| − | − | Âm ở T thấp | Dưới T = ΔH/ΔS | N₂ + 3H₂ → 2NH₃; nước đông đặc |
| + | + | Âm ở T cao | Trên T = ΔH/ΔS | CaCO₃ → CaO + CO₂; nước đá nóng chảy |
ΔG° và K ở 298,15 K
| ΔG° (kJ/mol) | K |
|---|---|
| −100 | 3.3 × 10¹⁷ |
| −50 | 5.8 × 10⁸ |
| −20 | 3.2 × 10³ |
| −10 | 56.5 |
| −5 | 7.52 |
| 0 | 1 |
| +5 | 0.133 |
| +10 | 0.0177 |
| +20 | 3.1 × 10⁻⁴ |
| +50 | 1.7 × 10⁻⁹ |
| +100 | 3.0 × 10⁻¹⁸ |
Mỗi 5,71 kJ/mol của ΔG° làm K thay đổi 10 lần ở 25 °C.
Ví dụ minh họa
Quá trình Haber ở 25 °C
N₂ + 3H₂ → 2NH₃: ΔH° = −92,2 kJ/mol, ΔS° = −198,7 J/(mol·K).
ΔG° = −92.2 − 298.15 × (−0.1987) = −92.2 + 59.2
ΔG° = −33,0 kJ/mol (tự diễn biến)
Trên nhiệt độ nào thì phản ứng tạo NH₃ không tự diễn biến?
Cả ΔH và ΔS đều âm, nên phản ứng chỉ tự diễn biến dưới T = ΔH/ΔS.
T = −92 200 / −198.7
T = 464 K (191 °C)
Phân hủy đá vôi (kiểu NEET)
CaCO₃ → CaO + CO₂: ΔH° = +178,3 kJ/mol, ΔS° = +160,5 J/(mol·K).
T = 178 300 / 160.5
Tự diễn biến trên 1111 K (838 °C)
K từ ΔG°
ΔG° = −33,0 kJ/mol ở 298,15 K.
ln K = 33 000 / (8.314 × 298.15) = 13.31
K = 6,0 × 10⁵
ΔG° từ Ka (kiểu JEE)
Acetic acid: Ka = 1,8 × 10⁻⁵ ở 25 °C.
ΔG° = −8.314 × 298.15 × ln(1.8 × 10⁻⁵) = −2479 × (−10.93)
ΔG° = +27,1 kJ/mol
Điều kiện không chuẩn
ΔG° = −33,0 kJ/mol và Q = 100 ở 298,15 K.
ΔG = −33.0 + 8.314 × 298.15 × ln 100 / 1000 = −33.0 + 11.4
ΔG = −21,6 kJ/mol (vẫn theo chiều thuận)
Đơn vị và lỗi thường gặp
- J và kJ. Bảng ΔS dùng đơn vị J/(mol·K). Hãy đổi sang kJ (÷1000) trước khi dùng ΔG = ΔH − TΔS với ΔH theo kJ. Đây là lỗi phổ biến nhất.
- Chỉ dùng kelvin. 25 °C là 298,15 K. Dùng 25 thay vì 298 làm TΔS nhỏ đi mười hai lần.
- ΔG và ΔG°. ΔG° dùng cho trạng thái chuẩn (1 bar, 1 M). Động lực thực sự ở các điều kiện khác là ΔG = ΔG° + RT ln Q.
- Tự diễn biến không có nghĩa là nhanh. Kim cương chuyển thành than chì có ΔG° < 0 nhưng cực kỳ chậm. Tốc độ phụ thuộc vào năng lượng hoạt hóa.
- ΔH và ΔS thay đổi chút ít theo T. T = ΔH/ΔS giả định chúng không đổi, đây là phép gần đúng tốt trong khoảng nhiệt độ vừa phải.
- Dùng cùng một giá trị R ở cả hai chỗ. Với ΔG° theo J/mol, dùng R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹; với kJ/mol, dùng 0,008314.
Cần vẽ giản đồ năng lượng hoặc phản ứng? Phác thảo phản ứng, cơ chế và dụng cụ thí nghiệm trong MolDraw, trình soạn thảo cấu trúc hóa học trực tuyến miễn phí.
Mở trình soạn thảo MolDrawCâu hỏi thường gặp
Tính năng lượng tự do Gibbs như thế nào?
Dùng ΔG = ΔH − TΔS với T tính bằng kelvin và ΔS đổi sang kJ/(mol·K). Với quá trình Haber ở 298,15 K: ΔG° = −92.2 − 298.15 × (−0.1987) = −33,0 kJ/mol.
ΔG âm nghĩa là gì?
Quá trình tự diễn biến (thuận lợi về mặt nhiệt động) theo chiều thuận ở điều kiện đó. ΔG dương nghĩa là chiều nghịch thuận lợi. ΔG = 0 nghĩa là cân bằng.
Làm sao tìm nhiệt độ mà tại đó phản ứng bắt đầu tự diễn biến?
Đặt ΔG = 0: T = ΔH/ΔS. Nhiệt độ chuyển tiếp này chỉ tồn tại khi ΔH và ΔS cùng dấu. Với phản ứng phân hủy CaCO₃, T = 178 300 / 160,5 = 1111 K.
ΔG° và hằng số cân bằng liên hệ với nhau thế nào?
ΔG° = −RT ln K. ΔG° âm cho K lớn hơn 1 (ưu tiên sản phẩm); ΔG° dương cho K nhỏ hơn 1. Ở 25 °C, mỗi 5,71 kJ/mol làm K thay đổi mười lần.
ΔG và ΔG° khác nhau thế nào?
ΔG° là biến thiên năng lượng tự do khi mọi chất ở trạng thái chuẩn. ΔG áp dụng cho hỗn hợp thực tế: ΔG = ΔG° + RT ln Q. Khi phản ứng diễn ra, Q tiến tới K và ΔG tiến tới 0.
Vì sao cần chia ΔS cho 1000?
Entropy thường được tra bảng theo J/(mol·K), còn enthalpy theo kJ/mol. Chia ΔS cho 1000 đưa cả hai số hạng về kJ/mol để có thể trừ cho nhau.
Công cụ hóa học liên quan
Cập nhật lần cuối: