什麼是吉布斯自由能計算器?
這個計算器可由化學反應的焓變(\(\Delta H\))、絕對溫度(\(T\))與熵變(\(\Delta S\))求出吉布斯自由能變化(\(\Delta G\))。\(\Delta G\) 能告訴你在恆溫恆壓條件下反應是否能自發進行:\(\Delta G\) 為負值代表反應在熱力學上有利(放能反應,exergonic);\(\Delta G\) 為正值代表反應無法自發進行(吸能反應,endergonic);而 \(\Delta G = 0\) 則表示系統處於平衡狀態。
使用方法
請輸入以 kJ/mol 為單位的焓變 \(\Delta H\)、以克耳文(K)為單位的溫度 \(T\),以及以 J/mol·K 為單位的熵變 \(\Delta S\)。由於 \(\Delta H\) 採用千焦耳、\(\Delta S\) 採用焦耳,計算器會在合併兩項之前自動將 \(\Delta S\) 換算成 kJ/mol·K(除以 1000),確保最終結果統一以 kJ/mol 呈現。
公式解析
核心公式為 $$\Delta G = \Delta H - T\,\Delta S$$ 焓項反映熱量的交換(化學鍵的形成與斷裂),而熵項 \(T\,\Delta S\) 則反映系統亂度的變化,並隨溫度放大。當溫度升高時,熵的貢獻會隨之增大,可能使 \(\Delta G\) 改變正負號,進而扭轉反應能否自發進行的結果。
範例計算
以液態水的生成反應為例,\(\Delta H \approx -285.8\) kJ/mol,\(\Delta S \approx -163.2\) J/mol·K,\(T = 298.15\) K。先換算 \(\Delta S\):\(-163.2 / 1000 = -0.1632\) kJ/mol·K。接著代入公式:$$\Delta G = -285.8 - (298.15 \times -0.1632) = -285.8 + 48.658 = -237.14 \text{ kJ/mol}$$ 由於 \(\Delta G\) 為負值,因此這個反應可以自發進行。
常見問題
為什麼要把 \(\Delta S\) 除以 1000?數據表中的 \(\Delta S\) 通常以 J/mol·K 列出,而 \(\Delta H\) 則以 kJ/mol 表示;除以 1000 可將 \(\Delta S\) 換算為 kJ/mol·K,讓兩項使用一致的單位。
\(\Delta G\) 為負值代表什麼?表示反應會釋放自由能,在該溫度下能朝正向自發進行。
\(\Delta G\) 的正負號會隨溫度改變嗎?會的。當 \(\Delta H\) 與 \(\Delta S\) 同號時,\(T\,\Delta S\) 項在高溫或低溫下可能占主導地位,使反應的自發性發生逆轉。