化学反応の自発性

エントロピー。ギブスエネルギー。状態関数としてのエントロピーとギブスエネルギー。エントロピー、ギブスエネルギー、エンタルピーの関係。ギブスエネルギーを使用した反応の自発性の予測。反応の単位範囲としてエントロピーとギブスエネルギーを報告します。

エントロピーは、システム内のランダム性または無秩序性の量を測る尺度です。エントロピーは広範な特性です。サンプルに含まれる物質の量によって異なります。エントロピーは記号 S で表されます。測定単位は JK⁻¹または kgm⁻²s²K⁻¹。エントロピーは状態関数です。それは、取られるパスではなく、システムの状態に依存します。

エントロピーを理解するために、氷が溶ける例を見てみましょう。氷の中の水分子は整然とした状態にあることがわかっています。氷が溶けて液体の水になると、分子は無秩序になります。あるいは、水分子のエントロピーが増加するとも言えます。

ギブスの自由エネルギーとは、何らかの作業を実行するために使用できるシステム内の利用可能なエネルギーです。ギブスエネルギーは、一定の温度と圧力で熱力学システム内で行われる仕事の最大量を測定するために使用されます。化学反応の自発性を判断するために使用されます。たとえば、反応物のギブスエネルギーが生成物よりも大きい場合、反応は自発的に進行します。生成物のギブスエネルギーが反応物のギブスエネルギーより大きい場合、反応は非自発的になります。

ギブスエネルギーは状態関数です。これは他の 3 つの状態関数に基づいて定義されます。これらの状態関数は、温度、エントロピー、エンタルピーです。これらの状態関数は化学反応の原動力となります。ギブスエネルギーは状態関数であるため、経路に依存しません。システムの状態によって異なります。

ギブスエネルギーは、エンタルピーの合計から温度とエントロピーの積を引いた値に等しくなります。したがって、ギブスエネルギーの変化は、エンタルピーの変化と温度とエントロピーの変化の積の合計に等しくなります。温度は一定に保たれているため、温度の変化は計算されません。

化学反応の自発性について議論する前に、まずエンタルピーの変化とエントロピーの変化という用語を理解しましょう。ご存知のとおり、エンタルピーはシステムの熱量です。エンタルピーの変化が正の場合、反応は吸熱反応です。つまり、反応を起こすにはシステムに熱を加える必要があるということです。エンタルピーの変化が負の場合、反応は発熱反応となります。これは、反応によって熱が放出されることを意味します。

ご存知のように、エントロピーはシステム内の無秩序さの尺度です。エントロピーの変化が正またはゼロより大きい場合、システムが秩序ある状態から無秩序な状態に移行したことを意味します。エントロピーの変化が負またはゼロ未満の場合、システムが無秩序な状態から秩序のある状態に移行したことを示します。

ギブスの自由エネルギーが正の場合、反応は非自発的です。陰性であれば、反応は自発的です。ここで、化学反応の自発性を決定する際に、エントロピー、エンタルピー、ギブスの自由エネルギーがどのように関係しているかについて説明します。エンタルピーの変化が負またはゼロ未満であり、エントロピーの変化が正またはゼロより大きい場合、ギブスエネルギーの値は負またはゼロ未満になります。ギブスの自由エネルギーの値が負の場合、反応は自発的であることを示します。

たとえば、木が燃えると、環境に熱が放出されます。この反応は発熱反応です。この場合、エンタルピーの変化はゼロ未満になります。また、システムは、木の秩序ある状態から灰の無秩序な状態へと移行しています。システム内のランダム性が増加します。この場合、エントロピーの変化は正です。したがって、ギブスエネルギーの値はゼロ未満になります。木材の燃焼は自然発生的な反応です。

ギブスの自由エネルギーの変化が正またはゼロより大きい場合、反応は非自発的になります。反応が吸熱反応であり、エントロピーが減少するかゼロ未満の場合、ギブスの自由エネルギーの変化は正またはゼロより大きくなります。システムをあまり秩序のない状態からより秩序のある状態に移行させるには、システムに熱を与える必要があるため、反応は非自発的になります。

エンタルピーの変化が正で、エントロピーの変化も正である特定の反応がある場合はどうなるでしょうか?。簡単に言えば、反応は吸熱反応であり、秩序だった状態から無秩序な状態へと移行します。ギブスエネルギーは負になるのでしょうか、それとも正になるのでしょうか。あるいは、反応は自発的なものになるか、非自発的なものになるかと言えますか?。このような場合、温度によって反応の自発性が決まります。

エンタルピーの変化とエントロピーの変化が両方とも正の場合、ギブスエネルギーの値は高温では負になります。温度が低いほど陽性になります。このような場合、反応はより高い温度で自発的に起こると言えます。低温では自然には発生しません。たとえば、氷が溶けて液体の水になると、エンタルピーの変化は正になります。反応は吸熱反応です。この場合もエントロピーは正です。これは、秩序立った状態の氷が、秩序の弱い状態の液体の水に変化するためです。

たとえば、氷が溶けて液体の水になると、エンタルピーの変化は正になります。反応は吸熱反応です。この場合もエントロピーは正です。これは、秩序立った状態の氷が、秩序の弱い状態の液体の水に変化するためです。気温が低いと氷は溶けません。反応は自発的ではありません。気温が高くなると氷は溶けます。反応は自発的なものになります。

エンタルピーの変化とエントロピーの変化が両方とも負の場合はどうなるでしょうか?。反応は自発的なものでしょうか、それとも非自発的なものでしょうか?この場合、温度が自発性を決定します。エンタルピーの変化とエントロピーの変化が両方とも負の場合、ギブスエネルギーの値は高温で正になります。温度が低いとマイナスになります。このような場合、反応はより低い温度で自発的に起こると言えます。温度が高いと自然には起こりません。

S ブロックの元素の化学的性質