Добавить новость
smi24.net
News in English
Август
2023

Equilibrium and Energy Relationships

0

One kcal/mol is actually a lot

This article discusses the relationship between the equilibrium constant K and the difference in energy ΔG, and explores some applications of the equation towards various examples in organic chemistry.

  • The difference in Gibbs energy ΔG between two species in equilibrium is related to the equilibrium constant K according to the equation

Δ G = –RT ln K

  • where R is the gas constant (0.001987 kcal K-1 mol-1) (we will use kcal/mol here – 1 kcal/mol = 4.184 kJ/mol)
  • and T is the temperature (in Kelvin)

Two species A and B that are present as a 50:50 ratio at equilibrium corresponds to an equilibrium constant  K = 1 and an energy difference  ΔG of 0 kcal/mol.

Not very exciting!

However, graphing a range of  Δ G values versus the equilibrium constant K, allows us to see that a relatively small quantity of energy (1 kcal/mol)  at room temperature (298 K) is sufficient to provide a 84:16 ratio of products to reactants. So 1 kcal/mol is actually a lot! 

Conversely, if you know the energy difference ΔG, you can calculate the equilibrium constant K through rearranging the equation to give:

Ke(–ΔG/RT)

The article below has both discussion of these consequences and also some quizzes where you can practice doing various calculations involving and ΔG at various temperatures.

Table of Contents

  1. Calculating Product Ratios For a Product At Equilibrium
  2. Calculating Energy Differences (ΔG) from Equilibrium Constants
  3. 1 kcal/mol Is Actually Quite A Lot
  4. Calculating Equilibrium Constant K When You Have The Energy Difference (ΔG)
  5. Better Selectivity “For Free” By Lowering The Temperature
  6. Application – Cyclohexane “A-Values”
  7. Application – Alkene Reactions
  8. Application – Substitution Reaction
  9. Application – Keto Enol Tautomerism
  10. Summary
  11. Notes
  12. Quiz Yourself!
  13. (Advanced) References and Further Reading

1. Calculating Product Ratios For A Reaction at Equilibrium

Let’s say we have a reversible process [Note 1] between a reactant A and a product B.

  • The equilibrium constant K is equal to [ B ] / [A] where the square brackets refer to the concentrations of A and B (in mol/L) at equilibrium.
  • For example, an equilibrium constant K of 5.4 means that there is a 5.4 : 1 ratio of products to starting materials at equilibrium.
  • Since K is ultimately just a ratio, we can calculate the amount of product by dividing 5.4 by (5.4 + 1) to give 0.84 as the percentage composition of B, and therefore the amount of A is just whatever is left over (0.16).
  • We can calculate the contribution of product to the overall mixture by dividing the equilibrium constant K by (K1)

When the concentrations of A and B are equal, the equilibrium constant K is equal to 1 and the amount of B in the mixture is equal to K / (K+1) which in this case is  1 / [1+ 1] or just 0.5

Click to Flip

2. Calculating Energy Differences From Equilibrium Constants

The equilibrium constant K is related to the difference in energy Δ G between two species by the equation:

ln K = – Δ G / RT

  • where R is the gas constant (0.001987 kcal K-1 mol-1) (Recall that 1 kcal – 4.184 kJ . We tend to use kcal/mol here because kcal units are just so darn convenient for organic chemistry [See article – Why do Organic Chemists Use Kilocalories [Note 2])
  • and T is the temperature (in Kelvin)

We can now rearrange this equation to get

Δ G = –RT ln K

This means that if you can measure the equilibrium constant for a given transformation at a specific temperature, you can use it to calculate the corresponding energy difference Δ G . That’s very useful!

At room temperature (298 K), making a table of these values looks like this:

Practice doing some calculations in the quiz below.

Click to Flip

3. 1 Kcal/mol Is Actually Quite A Lot

From the table above, it’s worth pointing out that a 1 kcal/mol difference in energy gives you quite a bit of selectivity.

Graphing the product ratio versus delta G at 298 K,  gives us the following plot:

A mere 1 kcal/mol difference in energy gets you an 84:16 mixture of products. That’s pretty good selectivity for such a small energy difference.

Trust me when I say that there’s a lot of times that chemists would be happy to take an 84:16 ratio of products!

When you consider that 1 kcal/mol is just the energy cost for an H-H eclipsing interaction in ethane [See post – Staggered vs. Eclipsed Conformations in Ethane] this seems like a pretty good deal! 

If we bump up our energy difference a little bit more to 3 kcal/mol, we get over 99:1 selectivity for the product. That’s excellent.   [Note 3]

4. Calculating Equilibrium Constants From Energy Differences

We can use this equation to work in the opposite direction too.

If we know the energy difference Δ G, we can calculate the equilibrium constant K through rearranging the equation to give:

Ke(–ΔG/RT)

When the difference in energy between two species is zero, this corresponds to an equilibrium constant K = 1

When the difference in energy is a mere 1 kcal/mol, the equilibrium constant at room temperature (298 K) is 5.4 .

This skyrockets to K = 5000 for an energy difference of 5 kcal/mol at 298 K.

A useful rule of thumb is that each change in energy of about 1.36 kcal/mol results in an order of magnitude (10× ) increase in the equilibrium constant K. [Note 4]

Click to Flip

5. Better Selectivity “For Free” By Lowering The Temperature

Up until now we’ve been examining the relationship between free energy and equilibrium constant at room temperature (298 K)

What happens to the equilibrium constant when the temperature is changed?

Ke(–ΔG/RT)

As the temperature becomes smaller,  the equilibrium constant K goes up. (assuming a spontaneous process (negative ΔG) )

In other words, for a given energy difference (e.g. 1 kcal/mol) the selectivity for the product increases.

Compare the trend in equilibrium constants for a process with ΔG 1 kcal/mol at room temperature (298 K), the freezing point of water (273 K) and the temperature of the readily available dry ice – acetone cold bath (–78°C or 195 K).

Running the reaction at extremely low temperature (-78°C) gives us an equilibrium constant K = 13 providing a 93:7 ratio of products, versus 84:16 at room temperature.

Contrast this with performing the same process at the temperature of the boiling point of water (100°C or 373 K), which gives a product ratio of 79:21 and equilibrium constant K of 3.8.

So all else being equal, if you want to maximize the selectivity of an equilibrium for a desired product, run it at the lowest temperature possible that will still give you an acceptable rate.

So what’s the catch? The last part of the previous sentence provides a clue. The price we pay for running a reaction at lower temperature is that it will be slower.

Another factor, important to note, is that running a reaction at low enough temperature might shut down the equilibrium between the two species. This is not necessarily a problem for selectivity (See article – Thermodynamic vs. Kinetic Control) but just note that using the Gibbs equation assumes the two species are in equilibrium. 

6. Application – Cyclohexane “A-values”

So if “1 kcal/mol really is a lot after all”,  this still may leave many of you with a pressing and important question:

So what?

OK, OK.  Let’s make this a bit more concrete by following up with some specific examples.

First up: cyclohexane chair flips.

Cyclohexanes adopt the “chair” conformation and interconvert between two “flipped” chair forms, where all axial substituents become equatorial and all equatorial substituents become axial. These two conformations are in equilibrium.  [See article – The Cyclohexane Chair Flip]

When a substituent is present on cyclohexane, the conformation with the substituent in the equatorial position is lower in energy than the  conformation where the substituent is axial (largely due to “gauche interactions” – steric interactions between the substituent and C-H bonds on the cyclohexane ring)

Measuring the ratio of the two conformers (NMR – Nuclear Magnetic Resonance – is a handy tool for this) allows us to calculate the equilibrium constant K, and from there we can calculate the difference in energy ΔG.

For example, at room temperature 1-methylcyclohexane exists as a 95:5 ratio of equatorial and axial conformers, which corresponds to an equilibrium constant of 17.6 and an energy difference of 1.7 kcal/mol.

This value of 1.7 kcal/mol is often referred to as the “A-value” of the CH3 group. (See article – Cyclohexane A-Values).

Many A-values (energy differences) for various substituents on cyclohexane have been measured and tabulated. For example, the A-value of the O–CH3 group is 0.60 (less of a preference for the equatorial position than CH3) and the A-value of the t-butyl group is 4.9 (extremely strong preference for the equatorial position).

In the quiz below, fill out the complete tables with the information provided:

Click to Flip

7. Application – Alkene Reactions

Here’s anoth








Семейное приключение на «Кораблике Детского радио»

Роспотребнадзор подтвердил риски завоза из Китая лихорадки чикунгунья

Концерт Тимберлейка в Стамбуле превратился в хаос: Мот рассказал о давке, сломанных заборах и драках

Самые большие водопады в мире, чья мощь впечатляет


Report: Liverpool decision hands advantage to Man United in midfielder pursuit

OpenAI launches GPT-5, its most powerful AI yet—will it be enough to stay ahead in today’s ruthless AI race? 

Cameroon star has said yes to Man Utd transfer but Red Devils face hurdle

Report: AC Milan’s Christian Pulisic set to team up with $87 million Manchester United star


DCLogic и HIDEN создают альянс для защиты ИТ-инфраструктуры от сбоев в электропитании

Операционная система «АльтерОС» совместима с программным комплексом «Энергосфера 9»

«Деловые Линии» запустили более 400 новых направлений экспресс-доставки

В Россию привезли новый кроссовер Volkswagen по цене ниже китайских конкурентов


Modders are trying their hardest to add an NVMe SSD to the Switch 2, which is both impressive and something I'm not going to do

Находи идеальные места для персонажей-фигурок в «Is This Seat Taken?»

Mafia: The Old Country получила положительные оценки в Steam

The US Air Force wants to test blowing up Cybertrucks because 'it is likely the type of vehicles used by the enemy may transition to Tesla Cyber trucks'


Овочі можусть стати розкішшю для українців


Сотрудники Росгвардии пришли на помощь пенсионеру, внезапно потерявшему сознание в кафе на востоке столицы

В регионах центральной России росгвардейцы отметили День физкультурника

Чемпионат по самбо столичного главка Росгвардии завершился в Москве

Чудо-колонка Детского радио: малыш будет в восторге!


Антиармянские публикации в российском научном журнале «Современная научная мысль»: расследование фонда «Гегард»

Павлово-Посадский Гофрокомбинат запускает высокотехнологичную линию плоской высечки Eterna

В столичном главке Росгвардии подвели итоги за неделю

Уровень медицины в Некрасовке растет


Зачем Россия повернула свои войска на север от Покровска

Аренда аккаунта IronSource: как обойти строгую модерацию и запустить рекламу

Министр финансов США обозначил сроки завершения торговых соглашений

Шойгу отметил полномасштабное внешнее влияние в ситуации в Молдавии


Самсонова уступила 125-й ракетке мира во втором раунде турнира в Цинциннати

Павлюченкова не сумела пробиться в третий раунд турнира в Цинциннати

Александрова снизилась в рейтинге в борьбе за титул WTA

Теннисист номер один мира прошёл отбор на итоговое соревнование ATP


Сотрудники Росгвардии пришли на помощь пенсионеру, внезапно потерявшему сознание в кафе на востоке столицы

Семейное приключение на «Кораблике Детского радио»

Грачья Погосян: достойный пример гуманизма и патриотизма (к 55-летию известного благотворителя)

CHANGAN представил свои автомобили на XII Всероссийском чемпионате по пахоте в Санкт-Петербурге


Музыкальные новости

Джек Осборн показал редкие трогательные фотографии с Оззи Осборном

Волочкова сообщила, что ее хотели похитить

Процесс сошел с рельсов // Верховный суд определил пересмотреть дело о наезде Kia на трамвай

«Навсегда в наших сердцах»: Нюша рассказала о потере бабушки


Чемпионат по самбо столичного главка Росгвардии завершился в Москве

В регионах центральной России росгвардейцы отметили День физкультурника

Чудо-колонка Детского радио: малыш будет в восторге!

Сотрудники Росгвардии пришли на помощь пенсионеру, внезапно потерявшему сознание в кафе на востоке столицы


Антироссийский курс Трампа: новая стратегия США вызывает опасения экспертов

Фигуристка Александра Трусова поделилась видео с сыном после выписки из роддома

Не лечит, но помогает: уже сегодня ТНТ покажет премьеру комедийного сериала «Знахарь» с Денисом Васильевым и Катериной Ковальчук

Не лечит, но помогает: уже сегодня ТНТ покажет премьеру комедийного сериала «Знахарь» с Денисом Васильевым и Катериной Ковальчук


На юго-западе Москвы трактор без водителя раздавил ковшом такси и попал на видео

Российский рэпер сжег кабриолет BMW прямо на сцене

У Крымского моста скопилась очередь из 1,1 тысячи автомобилей

Дептранс Москвы предупредил автомобилистов об ухудшении погоды


Медиа сообщили о предполагаемой локации встречи Путина и Трампа на Аляске

Bloomberg сообщает, что ЕС хочет провести переговоры с Трампом до встречи с Путиным

Путин обратился с приветствием к участникам форума «Машук»

Российские акции демонстрируют уверенный рост на фоне ожиданий встречи Путина и Трампа




Уровень медицины в Некрасовке растет

Косметолог-эстетист Наталья Рябинова: самые эффективные способы борьбы с веснушками

Столичные росгвардейцы приняли участие в забеге, посвященном Дню физкультурника

Custom Clinic - это клиника в центре Санкт-Петербурга, где решают проблему выпадения волос комплексно и эффективно



Росгвардейцы охраняли правопорядок на фестивале «ЛИГА ТРИАТЛОНА & IRONSTAR МОСКВА 2025»

Чемпионат по самбо столичного главка Росгвардии завершился в Москве

Охрану общественного порядка и безопасность на футбольных матчах в Москве обеспечила Росгвардия

В регионах центральной России росгвардейцы отметили День физкультурника


Интервью Лукашенко на "Беларусь 1" стало примером пропагандистской одержимости

В Минске считают, что интервью Лукашенко превратили в пропагандистский опус


Сергей Собянин: С 2011 года в Москве привели в порядок более 90 км набережных

Собянин заявил об уничтожении пятого БПЛА, который летел на Москву

Собянин: сбиты ещё три беспилотника, летевших на Москву

Собянин: Окончен основной этап благоустройства набережной в Покровском-Стрешневе


Москва: Новая эра зарядных станций для электромобилей с поддержкой инвесторов

Было-стало. Какая улица вела на Москву, а привела в заповедник

Новости: в Колорадо из-за масштабного лесного пожара эвакуировали исправительное учреждение

Преимущества применения озона для очистки воды


Чудо-колонка Детского радио: малыш будет в восторге!

Сотрудники Росгвардии пришли на помощь пенсионеру, внезапно потерявшему сознание в кафе на востоке столицы

Чемпионат по самбо столичного главка Росгвардии завершился в Москве

Грачья Погосян: достойный пример гуманизма и патриотизма (к 55-летию известного благотворителя)


без заголовка

В Алтайском крае не будут проводить проверку на предмет чрезмерного роста тарифов на ЖКУ

Стало известно, у кого в Архангельске самый длинный отпуск

Полицейский погиб при задержании поджигателя релейного шкафа под Архангельском


Прогноз погоды в Крыму на 10 августа

Прогноз погоды в Крыму на 11 августа

Прогноз погоды в Крыму на понедельник

Когда достроят больницу скорой помощи и онкодиспансер в Севастополе


Семейное приключение на «Кораблике Детского радио»

Грачья Погосян: достойный пример гуманизма и патриотизма (к 55-летию известного благотворителя)

Премьера песни «Птицы любви» — посвящение дочери, которая всегда будет рядом

CHANGAN представил свои автомобили на XII Всероссийском чемпионате по пахоте в Санкт-Петербурге














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *