رابطه بین ثبات ترمودینامیک و واکنش شیمیایی

انرژی آزاد Gibbs

تغییر انرژی آزاد ([۳][۳][۱۰] برای یک فرآیند با معادله تعریف می شود:

به ندرت به تنهایی از طریق انتالپی یا آنتروپی کنترل می شود (تأموریت های منفی بزرگ (FLTLT:0 ΔH اغلب با ثبات ترمودینامیک بالا مرتبط است، همانطور که در مولکول دی اکسید مایع (NlvaLT3) دیده می شود، اما آنتروپی می تواند در دمای بالا یا در واکنش های مربوط به انحلال آن (NOF) به مقدار زیادی آب غیر ضروری است.

کتاب طلا IUPAC - Gibbs Free Energy

درک واکنش شیمیایی

واکنش شیمیایی به تمایل یک ماده برای تحت یک تغییر شیمیایی اشاره دارد، یا به خودی خود یا با سایر مواد.در حالی که ترمودینامیک به ما می گوید که آیا یک واکنش ممکن است، واکنش در عمل اغلب توسط عوامل حرکتی کنترل می شود - مانع فعال سازی انرژی که باید غلبه کند. واکنش ترمودینامیکی مطلوب ([۳] [F:0 / ΔG [F] ؛ و انرژی ممکن است به طور آهسته باشد.

کنترل کینتیک در مقابل ترمودینامیک

در سیستم هایی که مسیرهای واکنش چندگانه امکان پذیر است، توزیع محصول می تواند توسط کنترل خویشاوندی یا ترمودینامیکی اداره شود. تحت کنترل کنترلkinetic Control ، محصول سریع تر (کوچکترین مانع فعال سازی) پیش بینی می شود، حتی اگر کمتر پایدار باشد.

نقش فعال سازی انرژی

انرژی فعال سازی ( نشان دهنده مانع انرژی بین واکنش دهندگان و محصولات است، حتی برای واکنش با ضعف بزرگ (FLT:2) ΔG وجود دارد، یک ابر (FLT3: 4Ea به این معنی است که واکنش به آرامی در شرایط محیطی، به عنوان مثال، گازهای گلخانه ای بسیار مهم است (Fmoltical).

لینک خارجی: LibreTexts - سطح انرژی بالقوه و انرژی فعال سازی

بازی بین ثبات و فعالیت

رابطه بین ثبات ترمودینامیک و واکنش پذیری پیچیده است.در بسیاری از سیستم های ساده، ثبات بالا با واکنش کم، استثناها و درک صحیح نیاز به توجه به هر دو ترمودینامیک و شخصیت ها دارد.

ثبات ترمودینامیک اغلب واکنش کم را مختل می کند

بسیاری از ترکیبات پایدار به طور شیمیایی تحت شرایط عادی هستند. گازهای نوبل، با پوسته های کامل با ارزش، انرژی بسیار کم نسبت به هر ترکیبات بالقوه دارند - آنها هر دو به صورت ترمودینامیک و به طور غریزی غیر فعال هستند، به طور مشابه، پیوندهای قوی با ارزش، مانند کسانی که در نیتروژن مولکولی (N2، پیوند انرژی 945 kJmol) یا اجزای حرارتی استفاده می شود (این مواد مقاوم در برابر این مواد شیمیایی مقاوم در برابر این انتقال، و مقاوم سازی بالا).

استثناها: Thermodynamically Unstable اما Kinetically پایدار

برخی ترکیبات به صورت ترمودینامیکی ناپایدار هستند (به عنوان مثال، آنها دارای اسید آمینه مثبت هستند:0 ΔG برای تجزیه در شرایط استاندارد] اما ثابت می کنند که مانع فعال سازی برای تجزیه و تحلیل ضعیف است (شکل ۲) این مواد به عنوان تجزیه (FLT:2asmettable [F:3LT3] تجزیه و تحلیل کلاسیک یک مثال الماس است که یک اتاق گاز پایدار است (شکل ۴).

کاتالیزورها و شرایط واکنش

کاتالیزورها مسیرهای واکنش جایگزین را با انرژی فعال سازی پایین تر فراهم می کنند، اجازه می دهند واکنش های ترمودینامیکی مطلوب برای ادامه دادن در نرخ های عملی باشد. کاتالیز (FLT:1) نه تعادل ترمودینامیک را تغییر می دهد (FLT:2δG از واکنش کلی]، اما می تواند به طور چشمگیری تغییر مجدد مشاهده شده از ترکیبات زیست محیطی پایدار برای ترکیبات اکسید نیتروژن به طور مشابه.

] [FLT:Chemical Review - Catalysis و Thermodynamic Control

مفاهیم عملی در شیمی

درک تعادل بین ثبات ترمودینامیک و واکنش شیمیایی در بسیاری از حوزه های علمی و صنعتی ضروری است.در زیر سه حوزه کلیدی وجود دارد که در آن این رابطه عمل می کند.

طراحی دارو و ثبات دارویی

داروها باید یکپارچگی شیمیایی (توانایی) را در هنگام ذخیره سازی و حمل و نقل حفظ کنند، در حالی که به اندازه کافی واکنش نشان می دهند تا یک اثر درمانی در سایت هدف اعمال کنند. مولکول های دارویی اغلب با تعادل ثبات ترمودینامیک (برای جلوگیری از تخریب زودرس) و کنترل خویشاوندی (برای تعامل انتخابی با گیرنده های بیولوژیکی) طراحی شده اند.

طراحی صنعتی Catalysis و Process Design

در تولید شیمیایی، شرایط فرآیند هدایت ترمودینامیک را تجزیه و تحلیل می کند. [۱] برای واکنش های جانبی[۵]، دمای بالا ممکن است برای ساخت ΔG منفی باشد. [۲] فرایند هابر-بوش برای سنتز آمونیاک یک مثال اول است: علی رغم اینکه N2 به طور غیرودینامیکی و کمک به حداقل رساندن یک تابع انرژی[۳].

سیستم های زیست محیطی و ژئوشیمیایی

The stability of pollutants, minerals, and atmospheric species is dictated by thermodynamics and kinetics. For example, the greenhouse gas CO₂ is thermodynamically stable in the atmosphere at ambient temperatures, contributing to its long residence time. Conversely, the Martian atmosphere, rich in CO₂, lacks significant chemical reactivity due to thermodynamic stability. In geochemistry, the dissolution of minerals like calcite (CaCO₃) is driven by ΔG under varying pH and ionic strength, affecting everything from cave formation to ocean acidification.

نتیجه گیری

رابطه بین ثبات ترمودینامیک و واکنش شیمیایی یک مخالفت دودویی ساده نیست؛ این یک تعامل ظریف بین مینیما انرژی آزاد و فعال کردن موانع انرژی است که ترکیبات پایدار تمایل به کمتر فعال هستند، اما عوامل خویشاوندی می توانند حالت های ضروری برای جلوگیری از فعالیت های شیمیایی را ایجاد کنند که برای مدت طولانی ادامه می یابد، برخی ترکیبات ناپایدار به سرعت واکنش می دهند، در حالی که برخی دیگر به کاتالیزور یا شرایط شدید کارشناسی ارشد نیاز دارند تا نتایج طراحی پایدار را پیش بینی کنند و واکنش پذیری جامعه را ادامه دهند.