깁스 자유 에너지(Gibbs Free Energy)란?

깁스 자유 에너지 (Gibbs free energy)

 

 화학의 역사는 매우 오래되었지만, 화학 반응을 일으키는 힘에 대한 개념을 확립한 것은 그리 오래 되지 않았습니다. 초창기 화학자들은 화학 반응을 일으키기 위한 힘을 설명하기 위해 '친화도(Affinity)'라는 단어를 사용하였습니다. 하지만 열역학과 에너지에 대한 화학적 정의와 개념이 분명해진 현대에는 이러한 '친화력'을 깁스 자유 에너지를 통해 설명할 수 있게 되었습니다.

 

깁스 자유 에너지의 정의

 

깁스 자유 에너지(Gibbs free energy)는 일정한 온도와 압력에서 시스템(계)에 의해 가역적 또는 최대한으로 뽑아낼 수 있는 에너지(포텐셜)의 척도입니다. 이 개념은 1876년 Joasi Willard Gibbs에 의해 '어떠한 공정이 일정한 온도와 압력에서 자발적으로 진행될지 예측'하기 위해 정의된 열역학적 특성입니다. 구체적으로는 아래와 같이 정의됩니다.

 

G = H-TS

 

여기서 H, T, S는 각각 엔탈피, 온도, 엔트로피입니다. Gibbs 에너지의 SI 단위는 줄(J) 또는 킬로줄(kJ)입니다.

 

깁스 자유 에너지 G의 변화는 정의에 의해 일정한 온도와 압력에서 어떤 계와 공정의 자유 에너지 변화에 해당합니다. 만약 어떠한 공정이 자발적인 반응에 의해 수행된다면 깁스 자유 에너지의 변화량인 ΔG는 0보다 작은 음의 값을, 비자발적으로 수행된다면 0보다 큰 양수의 값을 가지며 만약 평형상태라면 0의 값을 가집니다.

 

깁스 자유 에너지는 깁스 에너지, 깁스 함수 또는 자유 엔탈피라는 용어로 혼용되지만 IUPAC에서 권장하는 적절한 용어는 깁스 에너지 또는 깁스 함수입니다.

 

깁스 자유 에너지의 부호

 

앞선 문단에서 깁스 자유 에너지의 변화량인 ΔG의 부호는 어떠한 화학 반응의 자발성을 나타낸다고 말씀드렸습니다. 만약 ΔG의 부호가 양수라면 그 화학 반응은 자발적으로 진행되지 않기 때문에 원하는 반응을 일으키기 위해서는 추가적인 에너지를 투입해야 합니다. 이와 반대로 ΔG의 부호가 음수라면 '열역학적'으로 반응이 자발적으로 발생된다고 할 수 있습니다.

 

만약 어떤 반응의 ΔG가 음수이기 때문에 그 반응이 자발적으로 진행된다 하여도 얼마나 빠르게 진행되는지는 ΔG를 통해 알 수 없습니다. 즉, 깁스 자유 에너지의 부호는 반응의 방향성만 알려줄 뿐, 반응의 속도와는 무관하다는 뜻입니다. 간단한 예로, 철의 산화, 즉 철이 산소에 의해 녹스는 반응은 ΔG가 음수이기 때문에 대기중에서 자발적으로 일어나지만 그 속도가 매우 느려 시각적으로 관찰하기 위해서는 굉장히 많은 시간이 필요합니다. 조금 더 극단적인 예를 들면 아래와 같은 다이아몬드와 흑연의 상전이를 볼 수 있습니다.

 

C_(s)^diamond → C_(s)^graphite

 

이 반응 또한 섭씨 25도, 1기압 조건에서 ΔG의 값이 음수이기 때문에 열역학적으로 본다면 다이아몬드는 자발적으로 흑연으로 변환되어야 할 것이지만 실제로 다이아몬드가 자발적으로 흑연으로 변환되는 일은 일어나지 않습니다. 만약 이러한 일이 매우 빠르게 일어난다면 영원함을 상징하는 보석인 다이아몬드는 '시한부 보석'으로써 더 이상 그 가치를 인정받기 어려울 것입니다.