Gibbs serbest enerjisi – Yunus Emre Benkli

Gibbs Serbest Enerjisi ve Reaksiyonun Termodinamik Elverişliliği

Gibbs Serbest Enerjisi – Reaksiyon Mümkün mü?

Bu bölüm, önceki slaytta sorulan “Reaksiyon mümkün mü?” sorusunun matematiksel karşılığını açıklar.

Bir reaksiyonun verilen koşullarda hangi yönde ilerleme eğiliminde olduğunu değerlendirmek için Gibbs serbest enerji değişimi kullanılır.

ΔG = ΔH − TΔS

Burada:

ΔG: Gibbs serbest enerji değişimi
ΔH: Entalpi değişimi
T: Mutlak sıcaklık, Kelvin
ΔS: Entropi değişimi

Temel fikir: Sıcaklık, TΔS terimi üzerinden Gibbs serbest enerjisini değiştirir. Bu nedenle bir reaksiyonun termodinamik elverişliliği sıcaklığa bağlı olabilir.

ΔH – Entalpi Değişimi

Entalpi değişimi (ΔH), reaksiyonun ısı alışverişini ifade eder.

ΔH < 0 → Ekzotermik

Reaksiyon sırasında çevreye ısı verilir.

ΔH > 0 → Endotermik

Reaksiyon için sisteme ısı verilmesi gerekir.

Metalurjik proseslerde entalpi değişimi, yalnızca reaksiyonun termodinamik davranışı açısından değil, enerji ihtiyacının belirlenmesi açısından da önemlidir.

ΔS – Entropi Değişimi

Entropi değişimi (ΔS), sistemdeki enerji dağılımı ve erişilebilir mikrodurumların değişimi ile ilişkili bir büyüklüktür.

Metalurjik reaksiyonlarda özellikle gaz oluşması veya gaz tüketilmesi entropi açısından büyük önem taşır.

Örneğin:

MO + C → M + CO(g)

Gaz ürün oluşması çoğu durumda entropinin artmasına katkı sağlar.

Eğer ΔS > 0 ise sıcaklığın artması, −TΔS terimini daha negatif yapar. Bu da reaksiyonun yüksek sıcaklıkta daha elverişli hale gelmesine katkı sağlayabilir.

ΔG'nin İşareti Bize Ne Söyler?

ΔG < 0

Reaksiyon, verilen koşullarda yazıldığı yönde termodinamik olarak elverişlidir.

Örneğin:

MO + C → M + CO

Belirli bir sıcaklık ve bileşim koşulunda ΔG < 0 ise, metal oksidin karbonla indirgenmesi termodinamik açıdan elverişlidir.

ΔG = 0

Sistem denge durumundadır. İleri ve geri yöndeki termodinamik itici güç dengelenmiştir.

ΔG > 0

Reaksiyon yazıldığı yönde termodinamik olarak elverişli değildir. Bu durumda ters yön termodinamik olarak tercih edilir.

Kısaca:
ΔG < 0 → İleri yön elverişli
ΔG = 0 → Denge
ΔG > 0 → İleri yön elverişsiz

Metalurjide Sıcaklık Neden Bu Kadar Önemli?

Gibbs serbest enerji bağıntısını tekrar düşünelim:

ΔG = ΔH − TΔS

Sıcaklık doğrudan TΔS terimini etkiler.

Bu nedenle aynı reaksiyon düşük sıcaklıkta termodinamik olarak elverişsizken, yüksek sıcaklıkta elverişli hale gelebilir. Bunun tersi de mümkündür.

Bir metal oksidinin karbonla indirgenmesini düşünelim:

MO + C → M + CO(g)

Eğer reaksiyon için:

ΔS > 0

ise sıcaklık arttıkça:

−TΔS → daha negatif

ve bunun sonucu:

ΔG = ΔH − TΔS

daha negatif hale gelebilir.

Bu durum bazı indirgeme reaksiyonlarının yüksek sıcaklıklarda daha elverişli hale gelmesinin temel termodinamik nedenlerinden biridir.

Geçiş Sıcaklığı Nasıl Bulunur?

Örnek olarak hem entalpi hem de entropi değişiminin pozitif olduğunu düşünelim:

ΔH > 0 ve ΔS > 0

Düşük sıcaklıkta TΔS terimi küçük olabilir:

ΔH > TΔS

Bunun sonucunda:

ΔG > 0

olur ve reaksiyon termodinamik olarak elverişli değildir.

Sıcaklık yükseldiğinde TΔS büyür. Bir noktadan sonra:

TΔS > ΔH

Böylece:

ΔG < 0

olur ve reaksiyon termodinamik olarak elverişli hale gelir.

İki durum arasındaki sınırda:

ΔG = 0

olduğuna göre:

0 = ΔH − TΔS

Buradan:

T = ΔH / ΔS

Bu bağıntı, ΔH ve ΔS'nin sıcaklıkla değişiminin ihmal edildiği basitleştirilmiş durumda denge veya geçiş sıcaklığını verir.

Dikkat: ΔG < 0, Reaksiyonun Hızlı Olduğu Anlamına Gelmez

Öğrencilerin burada yapabileceği önemli bir hata, ΔG < 0 sonucunu:

“Reaksiyon hemen gerçekleşir.”

şeklinde yorumlamaktır.

Bu doğru değildir.

ΔG < 0 yalnızca reaksiyonun verilen koşullarda termodinamik olarak elverişli olduğunu gösterir.

Reaksiyonun gerçekten hangi hızda gerçekleşeceğini kinetik belirler.

Termodinamik: Olabilir mi?
Kinetik: Ne kadar hızlı?

Ellingham Diyagramı ile Bağlantısı

Gibbs serbest enerjisinin sıcaklıkla değişimi, üretim metalurjisinin en önemli araçlarından biri olan Ellingham diyagramlarının temelini oluşturur.

ΔG° = ΔH° − TΔS°

Belirli bir sıcaklık aralığında ΔH° ve ΔS° yaklaşık sabit kabul edilirse, ΔG° ile sıcaklık arasında yaklaşık doğrusal bir ilişki oluşur.

y = b + mx

ile karşılaştırıldığında:

ΔG° = ΔH° − TΔS°

yaklaşık olarak:

Kesişim: ΔH° ile ilişkilidir.
Eğim: −ΔS° ile ilişkilidir.

Ellingham diyagramları sayesinde metal oksitlerin kararlılığı, indirgeme sıcaklığı ve uygun indirgen seçimi değerlendirilebilir.