Энергия Гиббса: формула расчёта, примеры и онлайн-калькулятор

Энергия Гиббса (обозначается G) — это термодинамическая функция, которая показывает, сколько «полезной» работы может совершить система при постоянных температуре и давлении. Представьте, что вы хотите узнать, покатится ли мяч с горки сам. Энергия Гиббса — это как раз «склонность» реакции идти сама собой.

Если изменение энергии Гиббса (ΔG) отрицательное — реакция самопроизвольна (мяч катится). Если положительное — реакция не пойдёт без внешнего воздействия (нужно толкнуть). Если ΔG = 0 — система в равновесии (мяч стоит на месте).

Это понятие ввёл американский физикохимик Джозайя Уиллард Гиббс в 1870-х годах. С тех пор оно стало одним из главных инструментов химиков и инженеров.

Классическая формула для стандартных условий:

Где:

• ΔG° — стандартное изменение энергии Гиббса (кДж/моль). Знак минус — реакция возможна.
• ΔH° — стандартное изменение энтальпии (тепловой эффект, кДж/моль). Экзотермические реакции (ΔH < 0) обычно способствуют отрицательному ΔG.
• T — абсолютная температура (в кельвинах, K).
• ΔS° — стандартное изменение энтропии (мера беспорядка, Дж/(моль·K)). Рост энтропии (ΔS > 0) тоже помогает реакции.

Важно: единицы — ΔH в кДж, ΔS в Дж. Перед расчётом переводите ΔS в кДж (делите на 1000), иначе получите ошибку.

Реакция горения водорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O(г)

Дано: ΔH° = −483,6 кДж, ΔS° = −88,8 Дж/К (для газов — уменьшение энтропии). T = 298 K.

Расчёт: ΔG° = −483,6 − 298·(−0,0888) = −483,6 + 26,5 = −457,1 кДж.

Результат: ΔG° < 0 → реакция самопроизвольна при 25°C. Можете проверить на Калькуляторе энергии Гиббса.

Испарение воды: H₂O(ж) → H₂O(г)

Дано: ΔH° = +44,0 кДж, ΔS° = +118,7 Дж/К. T = 373 K (100°C).

Расчёт: ΔG° = 44,0 − 373·(0,1187) = 44,0 − 44,3 = −0,3 кДж.

При 100°C ΔG° ≈ 0 (равновесие), а при более высоких T ΔG° станет < 0 — пар будет образовываться самопроизвольно. Ниже 100°C ΔG° > 0 — конденсация идёт сама.

Реакция: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(ж)

Табличные ΔG°_обр (кДж/моль): CH₄ = −50,8; O₂ = 0; CO₂ = −394,4; H₂O(ж) = −237,1.

Расчёт: ΔG° = [1·(−394,4) + 2·(−237,1)] − [1·(−50,8) + 2·0] = (−394,4 − 474,2) − (−50,8) = −868,6 + 50,8 = −817,8 кДж.

Реакция самопроизвольна. Вместо ручного расчёта используйте Калькулятор энергии, который автоматически учтёт стехиометрию.

Ошибка 1: Путают знаки ΔH и ΔS. Помните: если ΔH отрицательный (тепло выделяется) и ΔS положительный (беспорядок растёт), то ΔG всегда отрицателен при любых T.

• Ошибка 2: Не переводят единицы ΔS в кДж. ΔS в таблицах часто даётся в Дж/(моль·K), а ΔH — в кДж/моль. Делите ΔS на 1000.
• Ошибка 3: Используют температуру в градусах Цельсия. Всегда переводите в Кельвины: T(K) = T(°C) + 273,15.
• Ошибка 4: Забывают про коэффициент стехиометрии в законе Гесса. Умножайте ΔG°_обр на число молей.

Попробуйте решить сами:

1. ΔH = −92 кДж, ΔS = −0,22 кДж/К, T = 300 K. Найдите ΔG. (Ответ: −92 − 300·(−0,22) = −92 + 66 = −26 кДж)
2. При какой температуре станет самопроизвольной реакция с ΔH = +50 кДж и ΔS = +0,15 кДж/К? (Ответ: T > ΔH/ΔS = 50/0,15 ≈ 333 K, то есть > 60°C)
3. Используя таблицы ΔG°_обр, рассчитайте ΔG° для фотосинтеза: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. (Подсказка: ΔG°_обр глюкозы = −910 кДж/моль, CO₂ = −394,4, H₂O = −237,1. Ответ: 2880 кДж, реакция несамопроизвольна)

Чтобы не тратить время на ручные вычисления, используйте специальные онлайн-калькуляторы:

• Калькулятор энергии Гиббса — быстро рассчитает ΔG по ΔH, ΔS и T.
• Конвертер энергии — переведёт кДж в эВ и другие единицы.
• Калькулятор энергии связи — для расчёта энергии химических связей.

А если хотите отвлечься и проверить свой потенциал, пройдите Тест на жизненную энергию.