最終更新: 2026-06-15

ギブズ自由エネルギーの基礎

ギブズ自由エネルギー（ΔG）は、一定温度・一定圧力のもとで化学反応または物理変化が自発的に進行するかどうかを判断するための熱力学量です。熱を放出しようとする傾向（エンタルピー）と無秩序さを増大させようとする傾向（エントロピー）という二つの競合する因子を一つの数値にまとめたものです。ΔG が負のとき、系は反応することで自由エネルギーを下げるため、プロセスは自発的に起こります。

ウィラード・ギブズが 1870 年代にこの概念を導入して以来、反応平衡の予測から電気化学セルや工業プロセスの設計まで、化学熱力学全般の基礎を支えています。

ギブズ自由エネルギーの式

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

記号	量	標準的な単位
ΔG	ギブズ自由エネルギー変化	kJ/mol
ΔH	エンタルピー変化	kJ/mol
T	絶対温度	K
ΔS	エントロピー変化	J/(mol·K)

ΔH はキロジュール、ΔS はジュールで表されるため、引き算の前に ΔS を 1000 で割ます。

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

ΔG の符号の意味

ΔG	解釈
ΔG < 0	正方向に自発的
ΔG = 0	系は平衡状態にある
ΔG > 0	非自発的；逆方向が有利

自発的なプロセスが必ずしも速いわけではありません。ダイヤモンドがグラファイトへ変換する反応は自発的（ΔG < 0）ですが、数百万年かかります。ΔG は方向を予測するものであり、速度ではありません。

四つの自発性の領域

ΔG の符号は ΔH と ΔS の符号および温度によって決まります。

ΔH	ΔS	低温での ΔG	高温での ΔG	自発性
−	+	−	−	常に自発的
+	−	+	+	常に非自発的
−	−	−	+	低温のみ自発的
+	+	+	−	高温のみ自発的

ΔG = 0 となる交差温度（非自発から自発、またはその逆に転じる点）は次式で求められます。

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

計算例

硝酸アンモニウムを水に溶かす反応は吸熱（ΔH = +25.7 kJ/mol）ですが、エントロピー駆動が強い（ΔS = +108.7 J/(mol·K)）プロセスです。298.15 K での計算は次のとおりです。

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

ΔG は負であるため、室温でも溶解は自発的に起こります。熱を吸収するにもかかわらず、溶液中にイオンが分散することによる大きなエントロピー増加がエンタルピーのコストを上回るからです。

標準状態と非標準状態

ΔG° は標準状態（298.15 K、1 bar、すべての溶質 1 mol/L）における値です。非標準状態では、ΔG は反応商 Q によって ΔG° から補正されます。

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

平衡では ΔG = 0 かつ Q = K（平衡定数）となり、次の基本関係式が導かれます。

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

ΔG° が大きく負であるほど平衡定数が大きく、平衡で生成物が強く有利になります。

ギブズ自由エネルギーと電気化学

電気化学セルでは、ΔG はセルの電位 E と直接関係します。

$$\Delta G = -nFE$$

ここで n は移動する電子の物質量、F はファラデー定数（96,485 C/mol）です。電池電圧が正であれば ΔG は負であり、セル反応が自発的に起こることを確認できます。これが電池が自発的に放電する理由です。

よくある間違い

単位の不整合。 ΔH は通常 kJ/mol で与えられますが、ΔS は J/(mol·K) で与えられます。ΔS を 1000 で割り忘れると、答えが千倍ずれます。

ケルビンではなくセルシウスの使用。 式中の T は絶対温度でなければなりません。25 °C は 298.15 K であって 25 K ではありません。セルシウスで計算すると TΔS の項が完全に間違った値になります。

自発的と速いの混同。 ΔG = −500 kJ/mol の反応でも、活性化エネルギーの障壁があれば速度論的に阻止される場合があります。ΔG は熱力学的な有利さを表すものであり、活性化エネルギーと触媒が速度を支配します。

よくある質問 (FAQ)

ギブズ自由エネルギーの式はどのようなものですか？

ギブズ自由エネルギーの式は ΔG = ΔH − TΔS であり、ΔH はエンタルピー変化（kJ/mol）、T は絶対温度（K）、ΔS はエントロピー変化（J/(mol·K)）です。ΔS の単位はジュールで、ΔH の単位はキロジュールであるため、引き算の前に ΔS を 1000 で割る必要があります。標準状態（298.15 K、1 bar）における結果が標準ギブズ自由エネルギー ΔG° です。

ΔG は何を表していますか？

ΔG は、一定温度・一定圧力のもとで系が行える最大の非膨張仕事を表します。これはエンタルピー変化 ΔH（熱として放出または吸収されるエネルギー）とエントロピー変化 TΔS（無秩序度の増大によって利用できなくなるエネルギー）という二つの競合する熱力学的因子を一つの値に統合したものです。ΔG の符号から、その条件下での自発的変化の方向を読み取ることができます。

ΔG は反応の自発性とどのように関係しますか？

反応は ΔG < 0 のとき自発的、ΔG > 0 のとき非自発的、ΔG = 0 のとき平衡状態にあります。ここで「自発的」とは、継続的なエネルギー投入なしに反応が進行できることを意味し、反応速度が速いことを意味するわけではありません。ΔG が大きく負であってもプロセスの速度については何も分かりません。たとえば、ダイヤモンドがグラファイトへ変換する反応は自発的（ΔG < 0）ですが、非常にゆっくりとしか進行しないため実際には検出不可能です。

温度は ΔG にどのような影響を与えますか？

温度はエントロピー項 TΔS の寄与度を制御します。ΔH が正でΔS も正（吸熱・エントロピー駆動）の反応では、温度が上昇するにつれて ΔG が減少し、閾値温度 T = ΔH/ΔS を超えると反応が自発的になります。逆に、ΔH が負でΔS も負（発熱・ΔS < 0）の反応では、高温になると −TΔS 項が正方向に大きくなり、非自発的になることがあります。この四つの符号の組み合わせが古典的な四つの自発性の領域を決定します。