Свободна енергия на Гибс и спонтанни реакции

В това видео ще обсъдим свободната енергия на Гибс и по-точно как чрез нея можем да определим дали една реакция ще протече спонтанно или не, което е много полезно в химията и биологията. За първи път е дефинирана от Джозая Уилард Гибс. Това, което виждаме, е известната формула, която ще ни помогне да предвидим спонтанност. Според формулата промяната в свободната енергия на Гибс е равна на промяната на това 'Н', което е енталпията, значи това е промяната на енталпията, която можем да разглеждаме като съдържанието на топлина, защото формулата се отнася за процеси при постоянно налягане и температура. Това е промяната на енталпията минус температурата, умножена по промяната на ентропията. 'S' е ентропия. Това изглежда като странна, трудна за разбиране формула, но както ще видим, тя е много логична. Джозая Уилард Гибс извел тази формула, за да разберем какво количество енталпия е необходимо при извършването на работа. Колко от нея е свободна да извършва полезни неща? В това видео ще помислим как можем да използваме промяната на свободната енергия на Гибс, за да предвидим дали една реакция ще протече спонтанно. Да започваме. Ако делта G е по-малка от 0, реакцията ще е спонтанна. Ще се случи, стига реагентите да могат да си взаимодействат по точния начин – ще протече спонтанно. Сега да помислим защо това е логично. Ако изразът тук е отрицателен, реакцията ще бъде спонтанна. Да помислим за всички възможни варианти. В този случай тук, ако промяната на енталпията е по-малка от нула и ентропията се увеличава, енталпията намалява. Това означава, че ще отдадем енергия тук. Ще отдадем енталпия. Можеш да мислиш за това като за отдаване на енергия. Ще го нарисувам. Това е отдаване на енталпия ето тук. В края имам по-малко енталпия, отколкото в началото. Но ентропията се увеличава. Безпорядъкът увеличава броя на състоянията, които моята система може да приеме. В това има логика. Логично е процесът да протече спонтанно, независимо от температурата. Имам тези две молекули. Те ще се сблъскат. Когато се приближат, електроните им могат да си кажат, "Чакай, тук има по-добра конфигурация, в която ще достигнем по-ниско енергетично ниво, можем да отдадем енергия, при което отделните съставни части се разделят." Сега имаме повече съставни части. Те са се разделили. Имахме и отделяне на енергия. Ентропията се увеличава. Логично е това да е естествен процес, който се случва в действителност. Това тук е спонтанна реакция. Делта G е по-малко от нула. Ето тук. Ще направя всички спонтанни реакции – ще ги оградя с това зелено. Ами този случай тук? При него делта H е по-голяма от нула. В тази реакция енталпията трябва да се увеличи, а ентропията ще се намали. Можеш да си представиш, че тези два атома или може би тези две молекули се приближават, но техните електрони си казват: "Хей, не, не. За да се свържем, трябва да преминем на по-високо енергетично ниво. Ще ни трябва енергия, а и безпорядъкът ще се намали. Това не може да се случи." И разбира се, това е сбор, ако делта Н е по-голямо от нула и ако това е по-малко от нула, целият израз ще е положителен. Така делта G ще е по-голямо от нула. Тук делта G ще е по-голямо от нула. Надявам се, че се досещаш, че тази реакция няма да е спонтанна. Тя няма да се случи. Тук имаме няколко различни комбинации на делта Н и на делта S, където спонтанността зависи от температурата. Тук имаме делта Н по-малко от нула. Ще имаме освобождаване на енергия, но ентропията намалява. Какво ще се случи? Ако температурата е ниска, тези частици ще могат внимателно да се приближат една до друга и електроните им ще могат да взаимодействат. Може би ще стигнат до по-ниско енергетично ниво и ще отдадат енергия. Отдават енергия, електроните правят това спонтанно. Но ентропията намалява. Това може да се случи, защото температурата тук е ниска. Може да си кажеш: "Чакай, това не нарушава ли втория закон на термодинамиката?" Трябва да запомниш, че ако разглеждаме само тази част от системата – да, ентропията намалява. Но имаме отдаване на топлина. Тази топлина ще допринесе към ентропията в останалата част от системата. Така че вторият закон на термодинамиката, гласящ, че ентропията във Вселената се увеличава, остава в сила благодарение на отделената топлина. Но ако гледаме само тези частици тук, ентропията е намаляла. Тази реакция тук също ще бъде спонтанна. Да погледнем отново формулата. Ако това е отрицателно и това е отрицателно, това ще бъде положително. Но ако Т е достатъчно ниска, този израз няма да има значение. Ако Т е ниска, ентропията няма толкова голямо значение. Тогава енталпията поема контрол. В тази ситуация делта G – Приемаме, че Т е достатъчно ниско, за да направи делта G отрицателно. Това ще бъде спонтанно. Да разгледаме същия сценарий, но ако имаме висока температура. Сега имаме тези две молекули. Да кажем, че това са молекулите, може би тази лилавата е тази тук, имаме същите две молекули тук. Те могат да отдадат енергия. Но тук си казваш: "Хм, виж, те могат... Промяната на енталпията е отрицателна. Но те преминават една покрай друга толкова бързо, че няма да имат шанс... Електроните им няма да имат шанс да взаимодействат по точния начин, за да протече реакция." Това е ситуация, при която реакцията няма да е спонтанна, защото частиците ще преминат една покрай друга много бързо. Няма да имат възможност да взаимодействат помежду си както трябва. Можеш да си представиш, че ако Т е високо, този израз ще е много важен. Тъй като ентропията е отрицателна, целият този израз ще стане положителен. Така това ще е по-положително, отколкото това ще е отрицателно. Следователно това е ситуация, при която делта G е по-голямо от нула. Реакцията не е спонтанна. Всичко, което правя, е да ти покажа защо формулата на Гибс за свободната енергия е логична. Запомни, това важи при постоянно налягане и постоянна температура. Това са разумни предположения, когато се занимаваме с реагенти в епруветка или с много от биологичните системи. Сега да се преместим тук. Нашата енталпия, нашата промяна на енталпията е положителна. А ентропията ни ще се увеличи, ако тези частици реагират, но температурата ни е ниска. Ако тези частици реагират, може би могат да се разделят или да направят нещо такова. Но те няма да го направят, защото когато се сблъскат, си казват: "Знаеш ли? Всичките ни електрони са добре. Те са в хубави и стабилни конфигурации тук. Няма причина да реагираме." Въпреки че, ако реагират, могат да увеличат ентропията. Но няма причина за реакция. Ако погледнем тези различни величини, ако тази е положителна, ако дори и тази е положителна, но ако Т е ниска, това няма да може да надмогне това. Следователно имаме делта G, по-голямо от нула – реакцията не е спонтанна. Ако имахме същия сценарий, но си кажем: "Добре, хайде да вдигнем температурата тук. Да увеличим средната кинетична енергия." Тогава тези частици ще могат да се удрят помежду си. Въпреки че електроните ще се нуждаят от енергия, за да създадат тези връзки, реакцията може да се осъществи благодарение на създадения безпорядък. Имаме повече възможни състояния. И е по-малко вероятно реакцията да протече в обратна посока, защото какъв е шансът всички тези частици да се съберат в точната конфигурация и да се върнат към този по-малък брой молекули. Да погледнем отново тези величини тук. Дори делта Н да е по-голямо от нула, дори това да е положително, ако делта S е по-голямо от нула и Т е висока, особено с отрицателния знак тук, това ще надмогне енталпията и промяната на енталпията, следователно целият израз ще е отрицателен. Тук делта G ще бъде по-малко от нула. Тази реакция ще бъде спонтанна. Надявам се, че схвана логиката на формулата на Гибс за свободната енергия. И още веднъж трябва да отбележим, че тя предполага постоянно налягане и температура, но е полезна, когато разсъждаваме дали една реакция ще е спонтанна. Когато разглеждаме биологични или химични системи, можем да проверим делта G за дадена реакция. Ще си кажем: "О, делта G е отрицателно?" "Това ще бъде спонтанна реакция." "Делта G е нула?" "Това ще е равновесна реакция." Или можем да си кажем: "Това делта G е положително. Реакцията няма да е спонтанна."