Equilibrio Chimico e Termodinamica: Esercizi Risolti

Nel campo della termodinamica, uno degli obiettivi principali è la previsione della composizione di equilibrio di un sistema in base alle proprietà dei suoi componenti. Le equazioni principali che correlano i dati termodinamici alle costanti di equilibrio sono fondamentali. Per esempio, data la reazione di equilibrio aA + bB ⇌ cC + dD, è possibile utilizzare l’equazione di van’t Hoff, che afferma che ΔG = ΔG° + RT ln Kp, dove ΔG rappresenta la variazione dell’energia libera di Gibbs, mentre Kp è la costante di equilibrio in base alle pressioni parziali dei reagenti e dei prodotti.

Un’altra relazione importante è ΔG = ΔH – T ΔS, che fornisce indicazioni sulla spontaneità di una reazione. In condizioni standard, ΔG° può essere calcolato come ΔG° = ΔH° – T ΔS°.

Esercizi Risolti

1) Calcolo di ΔG° della Reazione a 865 °C

Per calcolare ΔG° della reazione CaCO3(s) → CaO (s) + CO2(g) a 865 °C, è necessario convertire la pressione di CO2 da mm Hg ad atm e applicare l’equazione ΔG° = – RT ln Kp. Alla temperatura di 865 °C, la pressione di CO2 è pari a 1.75 atm. Applicando l’equazione, si ottiene ΔG° = – 5.3 ∙ 10^3 J/mol, indicando la decomposizione spontanea del carbonato di calcio.

2) Calcolo della Costante di Equilibrio della Reazione a 25 °C

Per calcolare la costante di equilibrio della reazione 2 NO2(g) ⇌ N2O4 (g) a 25 °C, utilizzando i valori di ΔH° e ΔS° forniti, si applicano le equazioni ΔH° = Σ ΔH°prodotti – Σ ΔH°reagenti e ΔS° = Σ ΔS°prodotti – Σ ΔS°reagenti. Applicando ΔG° = ΔH° – T ΔS° si ottiene ΔG° = – 4803 J, da cui deriva ln Kp = 1.94 e quindi Kp = 6.96.

3) Calcolo di K_a dell’Acido Formico

Per determinare la costante di dissociazione K_a dell’acido formico, si utilizzano i valori dell’energia libera di formazione allo stato standard. Applicando l’equazione ΔG° = Σ ΔG°prodotti – Σ ΔG°reagenti si calcola ΔG° = 21300 J. Applicando l’equazione ΔG° = – RT ln K_p, si ottiene ln K_p = – 8.60, da cui deriva K_p = 1.8 ∙ 10^-4. Questo valore è in accordo con i dati tabulati.

Questi esercizi illustrano l’applicazione dei concetti di termodinamica e equilibrio chimico nella risoluzione di problemi pratici.