反応は自然に起こるのか？ギブズ自由エネルギーは、この問いに答えるものです。エンタルピーとエントロピーを単一の量に統合することで、自発性を予測します。その式は、ΔG = ΔH - TΔS です。ΔGが負であれば、反応は自発的に起こります。正であれば、反応は非自発的に起こります。ゼロであれば、系は平衡状態にあります。ギブズ自由エネルギーは、熱力学的駆動力です。

この概念は、1870年代にジョサイア・ウィラード・ギブスによって提唱されました。彼は、一定の温度と圧力の下では、自発的な変化の方向は自由エネルギーが低い方向に向かうことを示しました。自由エネルギーとは、有用な仕事を行うために利用できるエネルギーのことです。全エネルギーの一部はエントロピーに閉じ込められており、利用できません。残りのエネルギーは自由に利用できます。

ギブズ自由エネルギーは多くの現象を説明する。エントロピーが増加する発熱反応は常に自発的である。エントロピーが減少する吸熱反応は決して自発的ではない。エントロピーが減少する発熱反応は低温では自発的である。エントロピーが増加する吸熱反応は高温では自発的である。温度依存性はTΔS項から生じる。

ギブズ自由エネルギーは、反応の実現可能性を予測したり、平衡定数を計算したり、化学プロセスを設計したりするために用いられます。また、生物学においては代謝を理解するためにも用いられます。ATP加水分解は負のΔGを持つため、細胞の活動を促進します。生物エネルギー学の分野は、ギブズ自由エネルギーに基づいて構築されています。