薬剤師国家試験出題項目

ギブズエネルギー、自発的な反応

1 自発的な反応

孤立系における自発的な反応については、「熱力学第二法則」よりエントロピーが増大する方向に進行すると確認することができた。では、閉じた系における自発的な反応についてはどうなっているか。以下の反応を例に考えてみる。

例)水素(気体)と酸素(気体)を反応させ、水(液体)を生成させる。
H2(気体)+1/2O2(気体)→H2O(液体)
上記の反応では、気体から液体が生成しているため、エントロピーが減少していると予測できる。

このように、閉じた系においては、エントロピーが減少する方向に反応が進行することがある。自発的な反応の方向については、孤立系においては、エントロピーの変化量にのみ注目しておけば判断することができたが、閉じた系においては、外界とのエネルギーのやりとりがあるため、エントロピー変化量のみでは、反応の方向性を判断することができない。


2 ギブズエネルギー

閉じた系においては、エントロピーが減少する方向に反応が進行することがあり、エントロピー変化量だけでは、反応の方向性を予測することはできない。
そこで、反応の方向性を予測するために導入された熱力学的関数が「ギブズエネルギー(自由エネルギー)」である。ギブズエネルギーGは、反応の方向を予測するために導入された熱力学的関数であり、エンタルピーH、絶対温度T、エントロピーSで表される。

G=H-T・S

反応の方向性を判断するためには、ギブズエネルギーの変化量(ΔG)が用いられる。A⇄Bにおけるギブズエネルギーの変化量は以下の式より求めることができる。

ΔG=GB-GA=ΔH-T・ΔS

また、ΔGと反応の方向については以下の関係が成立する。

ΔGがマイナス(ΔG<0)の場合:自発的な反応が進行する。
ΔGが0(ΔG=0)の場合 :平衡状態にある。
ΔGがプラス(ΔG>0)の場合 自発的な反応は進行しない。


3 エンタルピー変化量、絶対温度、エントロピー変化量からみた反応の方向

 反応の方向については、ギブズエネルギー(自由エネルギー)の変化量より予測することができ、また、ギブズエネルギーの変化量は、エンタルピーの変化量、絶対温度、エントロピーの変化量より予測することができる。

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