ギブス自由エネルギーの基本
さあ、今回は、あなたが共有してくれた資料に基づいて、ギブス自由エネルギーについて深く見ていきましょうか。
はい、お願いします。
あのー、熱いコーヒーってまあ、ほっとくと勝手に冷めますよね。
えー、そうですね。
でも、例えば水を電気で分解するのにはエネルギーがいる。
うんうん。
何かがこう、自然に起こるのか、それとも何か助けが必要なのか、そこの見極めですね。
まさに。その鍵がギブス自由エネルギー、デルタGです。
資料にも基本法則から計算令和でいろいろありましたけど、今日の目標としては、このギブスエネルギーが何なのか、なぜ重要なのか。
はい。
あとその、化学反応とか物理変化の方向をどう予測するのか、これを分かりやすく解き明かすという感じで。
非常に興味深いテーマだと思います。ギブス自由エネルギー、一見ちょっと複雑に聞こえるかもしれませんけど、
うんうん。
でもその確信は、あるプロセスが起こりやすいかどうかを定量的に示してくれるってことなんですよ。
なるほど。起こりやすさの指標。
そうです。資料にもあったように、それはエンタルピー、つまり熱の出入り、デルタH。
はい。
それからエントロピー、乱雑さを示すデルタS。
乱雑さですか。
ええ。そして絶対温度T。この3つの何というか、バランスで決まるんですね。
なるほど。その3つの要素の関係が鍵だと。資料の式ありましたね。デルタGイコールデルタH、TデルタS。
ええ、それです。
この式の意味するところを、もう少し詳しく教えていただけますか。
はい。まずデルタH、エンタルピー変化ですが、これは反応が熱を出す、つまり発熱反応でデルタHが負になるか。
ふむふむ。
あるいは熱を吸収する、急熱反応でデルタHが正になるか。これを示します。
はい。
一般には、エネルギーを放出してより安定な状態に向かう、つまり発熱反応の方が自発的に進みやすい傾向がありますね。
エネルギーを出す方が自然に進みやすいと。
そういうことです。資料にも反応熱がマイナスになる例ありましたよね。
ええ、ありました。
次にデルタS、エントロピー変化。これはKの乱雑さとか広がりやすさの度合いですね。
乱雑さ、インクが水に広がるような。
ああ、まさにそれです。あとは液体が気体になるとか、ああいうふうにより秩序がない状態、つまりエントロピーが増加する方向、デルタSが正も自発的な変化を後押しする力になるんです。
エントロピーと温度の影響
へえ、乱雑になるのも自然な流れなんですね。
そういう外面があるわけです。で、最後に温度T。これは絶対温度ですが、これがエントロピー変化デルタSの影響度を調整するんです。
調整?
ええ、式のTデルタSという項で効いてくるんですね。温度が高いほどエントロピー変化の影響が大きくなると。
ということは、熱を出す傾向、デルタHが負と、それから乱雑さが増す傾向、デルタSが正が、プロセスを自発的に進める力になるわけですね。
そうですそうです。
で、ギブス自由エネルギーデルタGは、その、まあ、総合的な指標だと。
その通りです。そして最も重要なのが、このデルタジリの不合なんです。
不合ですか?
ええ、もしデルタGがゼロより小さい、つまり負ならば、そのプロセスは自発的に進行します。まあ、ゴーサインみたいなものですね。
なるほど、ゴーサイン。
で、デルタGがゼロより大きい正の場合は非自発的、むしろ逆方向のプロセスが自発的に起こりやすくなります。
逆向きがですか?
ええ、そしてデルタGがちょうどゼロのとき、これはKが平行状態にある、つまり見た目上は変化が止まっている状態を示します。
ふん、自発的か非自発的か、それとも釣り合っているか、それをデルタGの値で判断できるんですね。
そういうことです。非常に強力な考え方ですよ。
いや、これはシンプルだけど応用が広そうですね。
ええ、実際資料にも少し触れられていましたが、このデルタGは他の重要な指標とも直接結びついているんです。
他の指標というと?
例えば、化学平行の指標である平行定数K、デルタG度をイコールマイナスRTLNKという関係があります。
ああ、平行定数、反応がどれくらい右に進むかとかの?
そうです。それから電池の起電力E、これもデルタG度をイコールマイナスNFE度をセルという式でつながっています。
へえ、電池の電圧まで?
ええ、ですからギブスエネルギーを理解すると、反応が自発的に進むかどうかだけでなく、どこまで進むのか、平行、あるいはどれだけの電気エネルギーを取り出せるか、電池まで統一的に考えられるようになるんです。
それはすごいですね。熱力学の基本的な量がそんな広範囲の現象を説明できるなんて。
そこがギブスエネルギーのパワフルなところですね。
先ほど温度がエントロピーの効果を調整するっていう話がありましたけど、ということは温度によってゴーサインが出たり消えたりするなんてこともあるんですか?
ああ、いいところに気づきましたね。そこがまた非常に面白い点で。
面白い?
ええ。デルタHとデルタSの符号の組み合わせによっては、おっしゃる通り温度が低いときだけ自発的になったり、逆にある温度以上で初めて自発的になったりするケースがあるんです。
へえ。
例えば、急熱反応デルタH0でもエントロピーがすごく増加する反応デルタS0だとしますね。
はい。熱は吸収するけど乱雑さは増えると。
その場合、温度Tが高くなるとTデルタSの効果がどんどん大きくなりますよね。
ええ。Tがかかってますからね。
そうするとデルタHがプラスでもそれを打ち消してデルタG全体がマイナスになることがあるんです。
ああ、なるほど。温度が高いとエントロピー増加の効果がかって自発的になる。
そういうことです。水の蒸発なんかはまあ典型的な例ですね。液体から気体になるのは急熱ですが、エントロピーは大きく増加しますから。
自発性と反応速度
だからある温度以上じゃないと水は蒸発しないんですね。納得です。
資料にもその自発性が切り替わる温度を計算する例載ってましたよね。TイコールデルタHデルタSで求められる。
ああ、ありましたね。いやー面白い。温度次第で反応が進むかどうかが変わるなんて。なんだか不思議な感じもしますけど、理屈がわかるとスッキリしますね。
ええ。
つまりこのギブス自由エネルギーデルタGっていうのは、熱、デルタH、乱雑さ、デルタS、そして温度、T、この3つのバランスを見て、
化学反応とか物質の状態変化がどっちの方向に進むのが自然なのかを教えてくれる、まさにナビゲーターにかいな存在なんですね。
ええ、まさにその通りだと思います。反応の方向性、どこで落ちくつか、平行、さらには電池みたいなエネルギー変換まで、
本当に様々な現象を理解するために統一的な視点を与えてくれるんです。
いやー、今回あなたが共有してくれた資料のおかげで、ギブス自由エネルギーの本質というか、その意味と使い方がかなりクリアになった気がします。
それは良かったです。
さて、最後に一つちょっと思考を巡らせてみたいんですが、
はい、何でしょう?
資料のどこかで見かけた気がするんですけど、ダイヤモンドがグラファイト、鉛筆の芯の材料ですね、あれに変わる反応も実はデルタGはマイナスだって。
あ、そうですね。熱力学的にはグラファイトの方が安定なんです。
つまり、自発的に起こり得るってことですよね。
理論上はそうなります。
でも、まあ普通に生活してて指輪のダイヤが勝手に黒鉛になったりは見ませんよね。
確かに。見ませんね。
このデルタGがマイナスっていうのは、あくまで起こる可能性、ポテンシャルを示すだけであって、それが実際にどれくらいの速さで起こるのかっていうのは、また全然別の話だと。
おっしゃる通りです。そこには活性化エネルギーという、また別の山があるんですね。
ああ、活性化エネルギー、つまり自発性。
この起こりやすさだけでは見えてこない変化の速度には、一体何が関わっているんでしょうね。
この点をさらに考えてみるのもまた面白いかもしれませんね。
そうですね。熱力学的な自発性と反応速度論、この2つは車の両輪のようなものですからね。非常に良い問いだと思います。
