Door Andrea Becker | Bijgewerkt op 30 augustus 2022

michaeljung/iStock/Getty Images

In de meeste inleidende scheikundecursussen worden reacties weergegeven met een enkele pijl, wat een eenrichtingsproces impliceert. In werkelijkheid zijn chemische reacties omkeerbaar, en de richting die zij bevoordelen hangt af van de Gibbs-vrije energie (AG) van het systeem. Door ΔG te evalueren kunnen wetenschappers voorspellen of een reactie voorwaarts of achterwaarts zal verlopen of een evenwicht zal bereiken.

Enthalpie (ΔH)

Enthalpie vertegenwoordigt de totale energie die in een systeem is opgeslagen en die grotendeels voortkomt uit de willekeurige beweging van moleculen. Het is niet hetzelfde als potentiële energie van bindingen of kinetische energie van bulkbeweging. Enthalpie verandert wanneer warmte of arbeid wordt toegevoegd of verwijderd, en wordt beïnvloed door druk en volume, vooral in gassen.

Entropie (ΔS)

Entropie meet de mate van wanorde of willekeur in een systeem. Wanneer een systeem warmte verliest, zoals water dat tot ijs bevriest, neemt de entropie ervan af omdat de moleculen een meer geordende opstelling aannemen. Op universele schaal neemt de entropie nooit af; het heeft altijd de neiging toe te nemen.

De rol van de temperatuur

Zowel enthalpie als entropie zijn temperatuurafhankelijk. Het toevoegen van warmte verhoogt zowel ΔH als ΔS. De verandering in de vrije energie van Gibbs wordt berekend als ΔG =ΔH – TΔS, waarbij T de absolute temperatuur in Kelvin is. Omdat temperatuur de entropieterm vermenigvuldigt, kan het de balans tussen enthalpie en entropie doen doorslaan, waardoor de spontaniteit van de reactie verandert.

Implicaties voor chemische reacties

Door ΔG te onderzoeken, kunnen scheikundigen de haalbaarheid van een reactie bepalen:

• ΔG < 0 – de reactie is spontaan en verloopt in voorwaartse richting.
• ΔG > 0 – de reactie is niet-spontaan en heeft de neiging om te keren.
• ΔG = 0 – het systeem is in evenwicht; voorwaartse en achterwaartse koersen zijn gelijk.

Wanneer enthalpie en entropie tegengestelde richtingen begunstigen, wordt temperatuur de beslissende factor. Een endotherme reactie (ΔH > 0) met positieve ΔS kan bijvoorbeeld spontaan worden bij hoge temperaturen omdat de TΔS-term zwaarder weegt dan ΔH.

Door de vrije energie van Gibbs te begrijpen, kunnen onderzoekers efficiënte processen ontwerpen, reactiepaden voorspellen en industriële synthese controleren.