آخر تحديث: 2026-06-15

فهم طاقة غيبس الحرة

طاقة غيبس الحرة، المرموز لها بـ ΔG، هي الكمية الثيرموديناميكية التي تُخبرك بما إذا كان تفاعل كيميائي أو تحول فيزيائي يمكن أن يسير تلقائياً عند درجة حرارة وضغط ثابتَين. تجمع بين عاملَين متنافسَين — الميل إلى إطلاق الحرارة (الإنثالبي) والميل إلى زيادة الفوضى (الإنتروبيا) — في رقم واحد. حين يكون ΔG سالباً، يخفض النظام طاقته الحرة بالتفاعل، مما يجعل العملية تلقائية.

أدخل ويلارد غيبس هذا المفهوم في سبعينيات القرن التاسع عشر، وبات اليوم يدعم كامل الثيرموديناميكا الكيميائية، من التنبؤ بتوازنات التفاعل إلى تصميم الخلايا الكهروكيميائية والعمليات الصناعية.

معادلة طاقة غيبس الحرة

$$\Delta G = \Delta H - T \Delta S$$

الرمز	الكمية	الوحدات المعتادة
ΔG	تغير طاقة غيبس الحرة	kJ/mol
ΔH	تغير الإنثالبي	kJ/mol
T	درجة الحرارة المطلقة	K
ΔS	تغير الإنتروبيا	J/(mol·K)

ولأن ΔH بالكيلوجول وΔS بالجول، يجب قسمة ΔS على 1000 قبل الطرح:

$$\Delta G = \Delta H - \frac{T \cdot \Delta S}{1000}$$

دلالة إشارة ΔG

ΔG	التفسير
ΔG < 0	تلقائي في الاتجاه الأمامي
ΔG = 0	النظام في حالة اتزان
ΔG > 0	غير تلقائي؛ يُفضَّل الاتجاه العكسي

التلقائية لا تعني السرعة. تتحول الماسة إلى جرافيت تلقائياً (ΔG < 0) لكن ببطء يستغرق ملايين السنين. يتنبأ ΔG بالاتجاه لا بالمعدل.

أنظمة التلقائية الأربعة

تعتمد إشارة ΔG على إشارتَي ΔH وΔS وعلى درجة الحرارة.

ΔH	ΔS	ΔG عند T منخفضة	ΔG عند T مرتفعة	التلقائية؟
−	+	−	−	دائماً
+	−	+	+	أبداً
−	−	−	+	عند درجات الحرارة المنخفضة فقط
+	+	+	−	عند درجات الحرارة المرتفعة فقط

درجة حرارة الانتقال، حيث يكون ΔG = 0 وتنتقل العملية من اللاتلقائية إلى التلقائية (أو العكس)، هي:

$$T = \frac{\Delta H}{\Delta S}$$

مثال محلول

إذابة نترات الأمونيوم في الماء عملية ماصة للحرارة (ΔH = +25.7 kJ/mol) لكنها شديدة الاندفاع بالإنتروبيا (ΔS = +108.7 J/(mol·K)). عند 298.15 K:

$$\Delta G = 25.7 - \frac{298.15 \times 108.7}{1000}$$ $$= 25.7 - 32.4$$ $$= -6.7\ \text{kJ/mol}$$

ΔG سالب، إذن الإذابة تلقائية عند درجة حرارة الغرفة حتى وإن امتصت الحرارة. مكسب الإنتروبيا الكبير (تشتت الأيونات في المحلول) يفوق تكلفة الإنثالبي.

الظروف القياسية وغير القياسية

تُطبَّق قيمة ΔG° على الظروف القياسية: 298.15 K وضغط 1 bar وجميع المواد الذائبة بتركيز 1 mol/L. في الظروف غير القياسية يختلف ΔG عن ΔG° بحاصل التفاعل Q:

$$\Delta G = \Delta G^\circ + RT \ln Q$$

عند الاتزان، يكون ΔG = 0 و Q = K (ثابت الاتزان)، مما يُعطي العلاقة الأساسية:

$$\Delta G^\circ = -RT \ln K$$

تقابل قيمة ΔG° السالبة الكبيرة ثابت اتزان كبيراً، مما يعني أن النواتج مُفضَّلة بشدة عند الاتزان.

طاقة غيبس الحرة والكيمياء الكهربائية

في الخلايا الكهروكيميائية، يرتبط ΔG ارتباطاً مباشراً بجهد الخلية E:

$$\Delta G = -nFE$$

حيث n هو عدد الإلكترونات المنقولة لكل وحدة صيغة وF هو ثابت فاراداي (96,485 C/mol). جهد الخلية الموجب يعني ΔG سالباً، مما يؤكد أن تفاعل الخلية تلقائي — وهذا هو السبب في أن البطاريات تفرغ شحنتها تلقائياً.

أخطاء شائعة

عدم تطابق الوحدات. يُعطى ΔH عادةً بـ kJ/mol وΔS بـ J/(mol·K). نسيان قسمة ΔS على 1000 يُعطي ناتجاً يزيد أو يقل بمقدار ألف ضعف.

استخدام درجات مئوية بدلاً من كلفن. يجب أن تكون T في المعادلة درجة حرارة مطلقة. 25 °C تساوي 298.15 K لا 25 K. استخدام درجات مئوية يُعطي حد TΔS خاطئاً كلياً.

الخلط بين التلقائية والسرعة. التفاعل ذو ΔG = −500 kJ/mol قد يكون محجوباً حركياً. يصف ΔG الموات الثيرموديناميكي؛ أما طاقة التنشيط والعوامل المساعدة فهي التي تتحكم في المعدل.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

ما هي معادلة طاقة غيبس الحرة؟

معادلة طاقة غيبس الحرة هي ΔG = ΔH − TΔS، حيث ΔH هو تغير الإنثالبي بـ kJ/mol، وT هي درجة الحرارة المطلقة بالكلفن، وΔS هو تغير الإنتروبيا بـ J/(mol·K). نظراً لأن ΔS يُقاس بالجول وΔH بالكيلوجول، يجب قسمة ΔS على 1000 قبل الطرح. في الظروف القياسية (298.15 K وضغط 1 bar)، تُعطي المعادلة طاقة غيبس الحرة القياسية ΔG°.

ما الذي يمثله ΔG؟

ΔG هو الحد الأقصى من الشغل غير التمددي الذي يمكن للنظام إنجازه عند درجة حرارة وضغط ثابتين. يجمع بين عاملين حراريديناميكيين متنافسين: تغير الإنثالبي ΔH (الطاقة المُطلقة أو الممتصة على شكل حرارة) وتغير الإنتروبيا TΔS (الطاقة التي تصبح غير متاحة نتيجة ازدياد الفوضى). إشارة ΔG تدل على اتجاه التغير التلقائي في تلك الظروف.

كيف يرتبط ΔG بتلقائية التفاعل؟

التفاعل تلقائي حين يكون ΔG < 0، وغير تلقائي حين يكون ΔG > 0، وفي حالة اتزان حين يكون ΔG = 0. التلقائية هنا تعني أن التفاعل يمكن أن يسير دون إمداد مستمر بالطاقة — لا أنه سيكون سريعاً. القيمة السالبة الكبيرة لـ ΔG تدل على أن العملية تُطلق طاقة حرة، لكنها لا تعطي أي معلومة عن المعدل. على سبيل المثال، تتحول الماسة تلقائياً إلى جرافيت (ΔG < 0) لكن ببطء شديد يجعل العملية غير قابلة للرصد.

كيف تؤثر درجة الحرارة على ΔG؟

تتحكم درجة الحرارة في وزن حد الإنتروبيا TΔS. بالنسبة لتفاعل ذي ΔH موجب وΔS موجب (ماص للحرارة ومحرّكه الإنتروبيا)، يتراجع ΔG مع ارتفاع الحرارة — ويصبح التفاعل تلقائياً في نهاية المطاف فوق حرارة عتبة T = ΔH/ΔS. وعلى النقيض، قد يصبح التفاعل الناشر للحرارة ذو ΔS السالب (ΔH < 0، ΔS < 0) غير تلقائي عند الحرارة المرتفعة لأن الحد −TΔS يأخذ قيماً موجبة متزايدة. تُحدد هذه التوليفات الأربع للإشارات أنظمة التلقائية الأربعة الكلاسيكية.