La Spontaneità delle Reazioni Chimiche: Esercizi e Applicazioni dei Dati Termodinamici
La previsione della spontaneità di una reazione può essere effettuata mediante l’analisi dei dati termodinamici, in particolare della variazione di energia libera di Gibbs. L’energia libera, rappresentata con la lettera G, è una funzione di stato che è correlata all’entalpia H, all’entropia S e alla temperatura.
L’espressione che lega la variazione di energia libera con la variazione di entalpia e entropia è ΔG = ΔH – TΔS. Una reazione avviene spontaneamente se ΔG < 0, è in equilibrio se ΔG = 0 e non avviene spontaneamente se ΔG > 0. Conoscendo la variazione di entalpia, entropia e temperatura, è possibile determinare la spontaneità di una reazione e la temperatura a cui questa avviene spontaneamente.
Esercizi
1) Calcolo di ΔG, Spontaneità e Equilibrio
Si consideri la reazione 3HC≡CH (g) → C6H6(g) per la quale ΔH = – 597.3 kJ e ΔS = – 0.33 kJ/K. Si calcoli ΔG a 27 °C per valutarne la spontaneità. Si determini inoltre la temperatura in cui la reazione è in equilibrio e la temperatura oltre la quale la reazione non è spontanea.
Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ottiene ΔG = – 597.3 kJ – (300 K)( – 0.33 kJ/K) = – 498.3 kJ.
Poiché ΔG è negativo, la reazione è spontanea. Per determinare la temperatura di equilibrio, si calcola 0 = – 597.3 kJ – (T)( – 0.33 kJ/K). Ciò porta a T = 1810 K, corrispondenti a 1537 °C. La reazione non è spontanea se ΔG > 0, il che si traduce in T > 1810 K.
2) Esercizio sulla Spontaneità
Si consideri la reazione NH4NO3(s) → NH4+(aq) + NO3-(aq) con ΔH° = 28.05 kJ e ΔS°= 108.7 J/K. Si calcoli ΔG a 25 °C per valutarne la spontaneità.
La temperatura di 25 °C corrisponde a 298 K. Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ottiene ΔG° = 28.05 – (298)(0.1087) = – 4.34 kJ. Poiché ΔG è negativo, la reazione è spontanea.
3) Valutare la Spontaneità di una Reazione
Nella reazione NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s), con ΔH =- 176.0 kJ e ΔS°= – 0.2849 kJ/K, si calcoli ΔG a 25 °C per valutarne la spontaneità.
Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ottiene ΔG = – 176.0 kJ – (298 K)(- 0.2849 kJ/K) = – 91.1 kJ. Poiché ΔG è negativo, la reazione è spontanea.
Questi esercizi dimostrano come l’analisi della spontaneità di una reazione attraverso i dati termodinamici possa fornire preziose informazioni sul comportamento delle reazioni chimiche in diversi contesti.