Gibssin vapaaenergian laskeminen?

[mikar]

Moi!

Pohdiskelin Gibssin vapaata energiaa. Helppo kaava, mutta aika vaikea oikeasti, konkreettisesti käyttää.
http://fi.wikipedia.org/wiki/Gibbsin_energia

"Tästä voidaan määrittää reaktion lopputuotteiden koostumus: siinä esiintyvät yhdisteet ja niiden pitoisuudet, kiderakenteet ja faasit. Käytännössä lasku on helpointa tehdä kirjoittamalla lähtöaineiden ja lopputuotteiden Gibbsin energiat koostumuksen tai osapaineen funktioina ja merkitsemällä alkutilanteen ja lopputilanteen kokonais-Gibbsin energiat yhtä suuriksi. Tästä voidaan lopputilanteen koostumus ratkaista."

Niinkö. Jo kiderakenteiden laskeminen reaalitapauksissa on vaikeaa.

MIetin kynttilän valossa seuraavaa. Jos sulattaa kynttilän ja laittaa sinne jotakin, vaikkapa DNA:ta tai jotain muuta, ja sitten seurata, miten DNA tms. kiteytyy tässä solukalvon tyyppisessä lipidirakenteessa. Ja jos vielä laittaa sähkökentän ja sitä säätelee.

Muuten muistaakseni luin muutama vuosi sitten, että vain kerran on vesi saatu kiteytymään tietokonemallinnuksessa.

[penttinen]

En ole törmännyt gibsiin. Mutta se on mielenkiintoinen. Voisko gibbsin kaavaa soveltaa lämpövoimakoneisiin, ja miten? Carnott`in kaava ei toimi hyvin kuin kaasukoneilla (höyrykone, polttomoottori, jne)

[penttinen]

G=H-TS

H = U + pV missä U on systeemin sisäenergia, p systeemin paine ja V tilavuus.


Yritän vapaasti suomenkielellä visualisoida:

Entropia S on siis hajonta"Termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että suljetun systeemin entropia ei voi koskaan pienentyä. "
T on lämpötila
H on entalpia. "Useimmissa vakiopaineessa tapahtuvissa prosesseissa entalpian muutos on yhtä suuri kuin siirtyvä lämpöenergia."

Eli saadun lämpöenergian määrä = oletettu siirtyvä lämpöenergia - lämpötila ilmeisesti kelvineinä X epäjärjestyksen aste.

Heh. meniköhän edes sinne päin

[mikar]

Hyvin!

Mietin mitä tarkoittaa järjestysaste.
http://fi.wikipedia.org/wiki/J%C3%A4rjestys
Järjestys on sitä suurempi, mitä vähemmän informaatiota tarvitaan kohteen rakenteen ja sen osasten järjestyksen esittämiseen.

Ok. Kantti kertaa kantti, sekös on tavoite.

[mikar]

Moi!

Pohdiskelin entropiaa ja luontoa
http://fi.wikipedia.org/wiki/Entropia

"fysikaalinen systeemi pyrkii itsestään kohti suurempaa epäjärjestystä"

Onkos näin. Esimerkiksi jää, jääkiteet ovat kauniita, yleensä legopalikkamaisesti järjestettyinä.

Tai vaikkapa malmiesiintymät, ne eivät ole hajoitettuna ympäri tellusta.

[Vipunen]

Nämä normaalipotentiaali ja Gibbsin energian muutos ja sähkömotorinen voima tuli pistettyä ylös kymmenkunta vuotta takaperin kun tutkailin ruokasuolan pilkkomista. Toivottavasti taulukolle on käyttöä .

Normaalipotentiaali arvoja (mitattu 25 C asteessa normaalivetyelektrodiin, NHE, nähden).


Hapettuminen ylhäältä alaspäin. Pelkistyminen alhaalta ylöspäin.
Pelkistymisreaktio Normaalipotenttiaali Eo/V

Litium Li+ + e- >> Li - 3, 05
Kalium K+ + e- >> K - 2, 93
Barium Ba2+ + 2 e- >> Ba - 2, 90
Kalsium Ca2+ + 2e- >> Ca - 2, 87
Natrium Na+ + e- >> Na - 2, 71
Magnesium Mg2+ + e- >> Mg - 2, 37
Alumiini Al3+ + e- >> Al - 1, 66
Mangaani Mn2 + 2e- >> Mn - 1, 18
Vesi 2 H2O + 2e- >> 2OH- + H2 - 0, 83
Sinkki Zn2+ + 2e- >> Zn - 0, 76
Rauta Fe2+ + 2e- >> Fe - 0, 44

Vety 2H+ + 2e- >> H2 - 0, 00

Kupari Cu2+ + 2e- >> Cu+ + 0, 15
Kupari Cu2+ + 2e- >> Cu + 0, 34
Happi + vesi O2 + 2 H2O + 4e- >> 4OH- + 0, 40
Kupari Cu+ + e- >> Cu + 0, 52
Rauta Fe3- + e- >> Fe2+ + 0, 77
Happi + vety O2 + 4H+ + 4 e- >> 2H2O + 1, 23
Kloori Cl2 + e- >> 2Cl- + 1, 36
Kloorioksidi + vety ClO3- + 6H + 5e- >> ½Cl2 + 3H2O + 1, 47
Mangaanioksidi + vety MnO4- + 8H+ 5e- >> Mn2 + 4H2O + 1, 52
Vetyperoksidi + vety H2O2 + 2 H+ + 2e- >> 2H2O + 1, 77
Hiili Co3+ + e- >> Co2+ + 1, 82
Rikkihappo S2O82- + 2e- >> 2 SO42- + 2, 01
Otsoni + vety O3 + 2H+ + 2e- >> O2+H2O + 2, 07
Fluori F2 + 2e- >> 2F- + 2, 87

Pelkistyminen alhaalta ylöspäin. Hapettuminen ylhäältä alaspäin.

Normaalivetyelektrodille on sopimuksen mukaan annettu elektrodi potentiaaliksi Eo = 0,00 volttia. Perustilassa olevan elektrodin sähkömotorista voimaa, joka on mitattu normaalivetyelektrodia vasten, nimitetään normaalielektrodipotentiaaliksi, ja sille on annettu symboli Eo.


Elektrolyysiin liittyvät ainemäärät

Tässä yhteydessä tarkastellaan elektrolyysiin liittyviä määrällisiä näkökohtia. Näiden ymmärtämiseksi tarkastellaan elektrolyysissä elektrodeilla tapahtuvia puolireaktioita.

Kun NaCl-sulassa Na+ -ionit reagoivat katodilla, tarvitaan yksi elektroni Na+-ionia kohti, jotta saadaan yksi Na-Atomi.
Na+ + e- >> Na

Mooli

Jotta erottuisi yksi mooli natriummetallia (22,9898 g) tarvitaan yksi mooli elektroneja joka on Avagardon-luvun verran elektroneja.

Faradi

Yhden elektronimoolin suuruinen sähkömäärä on nimeltään faradi (F). Sen on mittauksilla todettu olevan sama kuin 96485 Coloumbia (C). Tätä lukua nimitetään Faradayn vakioksi ja siitä käytetään usein laskuissa pyöristettynä arvoa 96 500 C/mol.

1F = 96 485 C/mol
= 6.022 x 1023 mol-1 x 1,6022 x 10-19 C
= Avogardon luku kertaa elektronin varaus.

Jos käytetään 2F sähkömäärä, saadaan 2 moolia Na-metallia.

Samaan aikaan kun katodille tuodaan 1F:n sähkömäärä, poistuu anodilta sama määrä elektroneja:
2Cl- >> Cl2 (g) + 2e-.

Kun anodilta poistuu yksi mooli (esim. Na 22,9898 g) elektroneja (1 F), purkautuu vastaavasti 1 mooli Cl- ioneja ja syntyy 0,5 moolia Cl2- kaasua ( Cl = 35,453 g : 2 = 17,73 g).

Jos elektrolyysi laitteen läpi virtaa 2 F sähkömäärä, purkautuu 2 moolia Cl-ioneja ja 1 mooli vapautuu (35,453 g) Cl2 kaasua vapautuu.

Näin ollen elektrodi reaktiot voidaan tulkita mooleissa ja faradeissa.

Esim. Hydroksidi-ionin hapettuminen anodilla
4OH- >> O2(g) + 2H2O + 4e-
Voidaan lukea siten että 4 moolia OH- ioneja tuottaa 1 moolin O2-kaasua ja 2 moolia H2O, kun 4F sähkömäärä johdetaan elektrolyysilaitteen läpi.

Elektrolyysiin liittyvien ainemäärä laskujen perustana on aineiden moolimäärien ja sähkön faradimäärien välinen riippuvuus.

Kun sähköä siirtyy 1 coloumbi (1C) sekunnissa , on sähkövirta 1 amppeeri (1A)
1A = 1C/s.

Kun elektrolyysikennon läpi johdetaan 96 485 coloumbin sähkömäärä, reagoi kullakin elektrodilla 1 ekvivalentin suuruinen ainemäärä.

Faradayn laki:

m = M : z x Q : F eli It = nzF

Jossa m on erottuneen aineen massa (g), Q sähkömäärä (C)eli Q = It, jossa I on sähkövirta (A) ja T on elektrolyysiaika (s) ja F on 96485 C/mol . M/z on ekvivalentti, M on aineen moolimassa ja z on siirtyvien elektronien lukumäärä.

Esitetty Faradayn yhtälö voidaan esittää myös ainemäärän n (mol) mukaan seuraavasti.

Q = It = m : M zF = nzF
1 Joule on 1V x Coloumbia (C)

Charles Mortimerin kirjasta (painettu 1997) s. 270:
Gibbsin energian muutos ja sähkömotorinen voima

Sähköparin revesiibeli perussähkömotorinen voima eli peruslähde jännite deltaEo on Gibbsin energian vähenemisin mitta:

deltaGo = nFdeltaEo

Näin ollen voidaan normaalielektrodi potentiaaleja käyttää deltaGo arvojen laskemiseen. Esim.

2Ag (hopea)(s) + Cl2 (g) >> 2AgCl(s)

Normaalipotentiaalien avulla, jotka saadaan alussa olevasta taulukosta, voidaan laskea:

2Ag(s) + 2Cl-(aq) >> 2AgCl(s) + ”e- Eox¤ = 0,222 V
2e- + Cl2(g) >> 2Cl-(aq) E¤red = 0,1359 V

Koska siirtyvien elektronien lukumäärä n = 2, saadaan:

DeltaG¤ = -nFdeltaE¤
= -2 x 96500 C/mol x 1,137 V
= -219400 V x C/mol = 219,4 KJ/mol

Huomaa, että 1J = 1V x C.