Energia libera di Gibbs: calcolo, equazioni e esercizi svolti
L’energia libera di Gibbs è una funzione di stato simboleggiata con la lettera G ed è definita matematicamente dalla relazione G = H – TS, dove H è l’entalpia e S è l’entropia, mentre T è la temperatura espressa in gradi Kelvin.
Da un punto di vista termodinamico, una reazione avviene spontaneamente quando la variazione di energia libera è minore di zero, altrimenti la reazione non avviene spontaneamente se ΔG > 0.
Equazioni
In condizioni di equilibrio ΔG = 0 e vi sono diversi modi per calcolare ΔG a seconda dei dati di cui si dispone:
a) ΔG°reazione = Σ ΔG°prodotti – Σ ΔG°reagenti
b) ΔG = ΔH – TΔS
c) Dalla legge di Hess
d) ΔG = ΔG° + RT ln Q, dove Q è il quoziente di reazione
e) ΔG° = – RT ln K, dove K è la costante di equilibrio della reazione.
f) ΔG° = – nFE°, dove n è il numero di moli di elettroni trasferiti, F è il Faraday e E° è il potenziale espresso in volt.
Esercizi
1) Calcolare la variazione di energia libera standard per la seguente reazione: P4(g) + 6 Cl2(g) → 4 PCl3(g) a 298 K e per la reazione inversa sapendo che ΔG°form (P4(g)) =24.4 kJ/mol e ΔG°form (PCl3(g)) = – 269.6 kJ/mol. Si ottiene ΔG°reazione = – 1102.8 kJ, indicando che la reazione avviene spontaneamente.
2) Data la reazione 2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g) condotta a 25 °C e alla pressione di 1 atm si calcolino ΔH°, ΔS° e ΔG° dai dati forniti.
3) Si calcoli ΔG° della reazione: Cdiamante(s) → Cgrafite(s) sapendo i valori di ΔG° per le reazioni coinvolte.
4) Data la reazione N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) a 298 K ΔG° = –33.3 kJ/mol si calcoli ΔG considerando le pressioni non in un regime di equilibrio.
5) Calcolare la costante di equilibrio della reazione N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) a partire da ΔG° a 298 K.
6) Calcolare ΔG° alla temperatura di 25 °C per le semireazioni coinvolte nella pila Daniell.
Questi esercizi offrono un’opportunità pratica per applicare i concetti e le formule relative all’energia libera di Gibbs e comprendere meglio le reazioni termodinamiche.