Costante di equilibrio e ΔG: l’importanza nella determinazione della spontaneità di una reazione chimica
La costante di equilibrio K fornisce informazioni cruciali sulla termodinamica di una reazione chimica, in particolare sulla sua spontaneità e sulla direzione del suo decorso. È importante notare che la costante di equilibrio non fornisce informazioni sulla velocità con cui avviene la reazione ed è indipendente dalla cinetica della reazione.
Invece, la costante di equilibrio è strettamente correlata all’energia libera di Gibbs, ΔG, tramite l’equazione:
ΔG = ΔG° + RT ln Q
La variazione dell’energia libera di Gibbs è correlata al quoziente di reazione, Q, ed è una delle principali funzioni di stato nella termodinamica chimica.
Variazione dell’energia libera e stato di equilibrio
Le condizioni per la spontaneità di una reazione, a pressione e temperatura costanti, possono essere stabilite in base alla variazione dell’energia libera:
1) Se ΔG < 0, la reazione procede spontaneamente verso destra. 2) Se ΔG > 0, la reazione procede spontaneamente verso sinistra.
3) Se ΔG = 0, la reazione è all’equilibrio e il quoziente di reazione, Q, è uguale alla costante di equilibrio, K.
Il valore di ΔG dipende da ΔG° e RT ln Q; ΔG° è determinato per una reazione a una data temperatura, quindi ΔG dipende dalla variazione di Q, essendo R una costante e T la temperatura.
Per illustrare ulteriormente, consideriamo due casi limite:
– Se il valore di ΔG° è molto negativo, anche ΔG tenderà ad essere negativo, e la reazione procederà verso destra fino a raggiungere l’equilibrio quando ΔG = 0.
– Se il valore di ΔG° è molto positivo, anche ΔG tenderà ad essere positivo, e la reazione procederà verso sinistra fino a raggiungere l’equilibrio quando ΔG = 0.
Equilibrio e costante di equilibrio
All’equilibrio, quando ΔG = 0, l’equazione diventa:
0 = ΔG° + RT ln K
Da cui ΔG° = – RT ln K
Quindi, K = e^(-ΔG°/RT)
Spontaneità di una reazione
Le equazioni sopra consentono di interpretare la reazione e la sua spontaneità in base a ΔG°:
– Se ΔG° < 0, allora K > 1, il che implica che la reazione è spontanea e procede verso destra.
– Se ΔG° > 0, allora K < 1, il che implica che la reazione non è spontanea e procede verso sinistra.
- Quando ΔG° = 0, allora K = 1, il che implica che reagenti e prodotti sono ugualmente favoriti all'equilibrio.
In conclusione, la costante di equilibrio e l'energia libera di Gibbs sono cruciali per comprendere la termodinamica delle reazioni chimiche e la loro spontaneità.