Termodinamica Chimica: Esercizi svolti su entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs
L’entalpia, l’entropia e l’energia libera di Gibbs sono importanti funzioni di stato utilizzate nella chimica fisica per valutare la spontaneità delle reazioni. In particolare, la variazione di entalpia di una reazione chimica determina se essa è esotermica o endotermica. L’entalpia esprime il calore scambiato durante una reazione, mentre l’entropia e l’energia libera di Gibbs influenzano la direzione in cui una reazione procede.
Prima di risolvere alcuni esercizi di termodinamica, è utile ricordare alcune relazioni fondamentali, tra cui le formule per calcolare le variazioni di energia libera standard (ΔG°), entalpia standard (ΔH°) e entropia standard (ΔS°) di una reazione.
Esercizio 1: Calcolo dell’energia libera standard per la combustione completa del metano
La reazione di combustione del metano è:
CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g)
Applicando la formula ΔG° = Σ n ΔG°f_prodotti – Σ n ΔG°f_reagenti, si ottiene un valore negativo per ΔG°, indicando la spontaneità della reazione. Questo risultato corrisponde all’esperienza quotidiana in cui il metano brucia come combustibile.
Esercizio 2: Determinazione dell’entropia standard di decomposizione del carbonato di calcio
Applicando la formula ΔS° = Σ n ΔS°prodotti – Σ n ΔS°reagenti, si calcola la variazione dell’entropia standard per la decomposizione del carbonato di calcio, ottenendo un valore di 160.6 J/K.
Esercizio 3: Calcolo dell’energia libera standard utilizzando ΔS° e ΔH°
Utilizzando il valore calcolato per ΔS° e attingendo ai dati termodinamici tabulati, si calcola ΔH° e ΔG° per la reazione, determinando che la reazione non è spontanea.
Esercizio 4: Calcolo dell’energia libera standard per la sintesi del cloruro di nitrosile
Applicando la formula ΔG° = Σ n ΔG°f_prodotti – Σ n ΔG°f_reagenti, si calcola inizialmente ΔG° con pressioni standard. Successivamente, si determina ΔG in condizioni non standard utilizzando l’equazione ΔG = ΔG° + RT ln Q, ottenendo un valore negativo, indicando la spontaneità della reazione anche in condizioni non standard.
Questi esercizi offrono un’opportunità per comprendere come calcolare e utilizzare le variazioni di entalpia, entropia ed energia libera di Gibbs per valutare la spontaneità e la direzione delle reazioni chimiche.