ماذا تفعل هذه الحاسبة
تحسب هذه الأداة التغيّر القياسي في طاقة جيبس الحرة (ΔG) لتفاعل كهروكيميائي انطلاقًا من جهد خليته، اعتمادًا على العلاقة الترموديناميكية \(\Delta G = -nFE\). وهي تربط الكيمياء الكهربائية بالديناميكا الحرارية، فتُخبرك بما إذا كان تفاعل الأكسدة والاختزال تلقائيًا، وكم من الشغل الكهربائي المفيد يمكن أن يقدّمه. هذه العلاقة عامة وتنطبق على أي خلية جلفانية أو خلية تحليل كهربائي.
طريقة الاستخدام
أدخل ثلاث قيم: n، وهو عدد مولات الإلكترونات المنتقلة في أنصاف التفاعلات الموزونة؛ وE، أي جهد الخلية بالفولت (استخدم الجهد القياسي °E في الظروف القياسية)؛ وF، أي ثابت فاراداي الذي يساوي 96,485 كولوم لكل مول من الإلكترونات (يمكنك ترك القيمة الافتراضية كما هي). تُرجع الحاسبة قيمة ΔG بوحدتي الجول والكيلوجول لكل مول، وتبيّن لك ما إذا كان التفاعل تلقائيًا.
شرح المعادلة
تنشأ المعادلة $$\Delta G = -\,\text{n} \cdot \text{F (C/mol)} \cdot \text{E (V)}$$ من مساواة أقصى شغل كهربائي يمكن للخلية أداؤه (\(w = -nFE\)) بالتغيّر في طاقة جيبس الحرة. وهنا يحوّل الثابت \(F = 96485 \ \text{C/mol}\) مولات الإلكترونات والفولتات إلى جولات، لأن ضرب فولت واحد في كولوم واحد يساوي جولًا واحدًا. ويؤدي الجهد الموجب للخلية إلى قيمة ΔG سالبة، وهو ما يدل على تفاعل تلقائي (باعث للطاقة).
مثال محلول
لنأخذ خلية دانيال (Zn/Cu) حيث °E = 1.10 فولت وعدد الإلكترونات المنتقلة n = 2. عندها يكون $$\Delta G = -(2)(96485)(1.10) = -212{,}267 \ \text{J/mol} = -212.27 \ \text{kJ/mol}.$$ وتؤكّد هذه القيمة السالبة الكبيرة أن تفاعل الخلية تلقائي بقوة، وهو ما يتوافق مع إنتاج البطارية لجهد قابل للاستخدام.
الأسئلة الشائعة
لماذا تكون ΔG سالبة عندما يكون E موجبًا؟ تعني إشارة الناقص في المعادلة \(\Delta G = -nFE\) أن الجهد الموجب يقابله تغيّر سالب (مُفضَّل) في طاقة جيبس الحرة.
ما قيمة F التي ينبغي استخدامها؟ ثابت فاراداي القياسي هو 96,485 C/mol. وتُقرّبه بعض الكتب الدراسية إلى 96,500.
هل يمكن أن يكون E سالبًا؟ نعم. يعطي الجهد السالب للخلية قيمة ΔG موجبة، ما يعني أن التفاعل غير تلقائي ويحتاج إلى مدخل من الطاقة (كما في التحليل الكهربائي).
