Il calcolo dell’energia libera è fondamentale per valutare la spontaneità di una reazione chimica o di una trasformazione fisica. Questa grandezza termodinamica, indicata con ΔG, può essere calcolata utilizzando i dati termodinamici relativi all’entalpia (ΔH) e all’entropia (ΔS) seguendo la formula: ΔG = ΔH – TΔS, dove T rappresenta la temperatura.
L’energia libera di Gibbs, definita come G = H – TS, è una funzione di stato che dipende dall’entalpia, dall’entropia e dalla temperatura del sistema. Se ΔG 0, la reazione non avviene spontaneamente. Poiché l’energia libera è una funzione di stato, il suo valore dipende esclusivamente dalle condizioni iniziali e finali del sistema.
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Un metodo comune per calcolare l’energia libera di un sistema chimico consiste nell’utilizzare la seguente relazione: ΔG = ∑Gprodotti – ∑Greagenti.
Calcolo dell’energia libera per la vaporizzazione dell’acqua a 25°C
La trasformazione fisica della vaporizzazione dell’acqua può essere rappresentata come: H2O(l) → H2O(g). Utilizzando i dati termodinamici relativi alla vaporizzazione dell’acqua a 25°C, con temperatura di 298 K e considerando 1 mole di acqua, si ottiene: ΔH° = (-241.82 kJ/mol) – (-286.83 kJ/mol) = +45.01 kJ
ΔS° = (188.8 J/(K·mol)) – (70.0 J/(K·mol)) = 118.8 J/K
TΔS° = 298 K * 118.8 J/K = 35.4 kJ
ΔG° = +45.01 kJ – 35.4 kJ = +9.61 kJ (non spontaneo)
Calcolo dell’energia libera per la decomposizione dell’ossido di mercurio (II)
La reazione di decomposizione dell’ossido di mercurio (II) può essere scritta come: HgO(s) → Hg(l) + ½ O2(g). Utilizzando i dati termodinamici relativi a questa reazione e considerando il coefficiente stechiometrico di O2, si ha: ΔH° = 1(0 kJ/mol + ½ * 0 kJ/mol) – 1*(-90.46 kJ/mol) = +90.46 kJ
ΔS° = [1(75.9 J/(K·mol)) + ½(205.2 J/(K·mol))] – 1(71.13 J/(K·mol)) = 107.4 J/K
TΔS° = 298 K * 107.4 J/K = 32.0 kJ
ΔG° = +90.46 kJ – 32.0 kJ = +58.46 kJ (non spontaneo)
In entrambi i casi calcolati, la variazione dell’energia libera ΔG è positiva, indicando che le trasformazioni non avvengono spontaneamente. La conoscenza dell’energia libera è quindi essenziale per prevedere la direzione di una reazione chimica o di una trasformazione fisica.
