Tag: Equilibrio chimico

ENERGIA LIBERA DI GIBBS

L’energia libera di Gibbs è una grandezza fisica utilizzata per determinare la spontaneità di una reazione chimica. Questa grandezza può essere impiegata anche per valutare la massima quantità di lavoro ottenibile da una trasformazione condotta in condizioni di temperatura e pressione costanti.

L’energia libera di Gibbs (G) è correlata all’entalpia, all’entropia di reazione e alla temperatura assoluta secondo la formula:

G = H – TS

G = energia libera di Gibbs espressa in J/mol

H = entalpia espressa in J/mol

T = temperatura assoluta espressa in gradi Kelvin

S = entropia espressa in J/(K·mol)

REAZIONI SPONTANEE

Per valutare la spontaneità di una reazione, a una determinata pressione e temperatura, si può calcolare la variazione di energia libera di Gibbs:

ΔG (P,T) = Gprodotti – Greagenti

Per una reazione:

aA + bB ⇄ rR + sS

ΔG = rGR + sGS – aGA – bGB

Se:

ΔG < 0 la reazione avviene spontaneamente.

ΔG = 0 la reazione è all’equilibrio.

ΔG > 0 la reazione diretta non è spontanea. Risulta invece spontanea la reazione inversa.

EQUAZIONE DI GIBBS-HELMHOLTZ

L’equazione di Gibbs-Helmholtz correla la variazione di energia libera di Gibbs di una reazione alla variazione di entalpia e alla variazione di entropia.

ΔG = ΔH – TΔS

ΔG (Gprodotti – Greagenti) = variazione di energia libera di Gibbs espressa in J/mol

ΔH (Hprodotti – Hreagenti) = variazione di entalpia espressa in J/mol

ΔS (Sprodotti – Sreagenti) = variazione di entropia espressa in J/(K·mol)

T = temperatura assoluta espressa in gradi Kelvin

Si possono verificare le seguenti condizioni:

Caso n.1

ΔH<0 e ΔS>0 (reazione esotermica e variazione positiva di entropia).

ΔG<0 a qualsiasi valore di temperatura. La reazione è pertanto sempre spontanea.

Caso n.2

ΔH>0 e ΔS<0 (reazione endotermica e variazione negativa di entropia).

ΔG<0 a nessun valore di temperatura. La reazione non è pertanto mai spontanea. Risulta invece sempre spontanea la reazione inversa.

Caso n.3

ΔH<0 e ΔS<0 (reazione esotermica e variazione negativa di entropia).

ΔG<0 a valori di temperatura al di sotto di un determinato valore critico.

T < \frac{\triangle H}{\triangle S}

Caso n.4

ΔH>0 e ΔS>0 (reazione endotermica e variazione positiva di entropia).

ΔG<0 a valori di temperatura al di sopra di un determinato valore critico.

T > \frac{\triangle H}{\triangle S}

CONCETTI CHIAVE:

  • L’energia libera di Gibbs è una grandezza impiegata per determinare la spontaneità di una reazione.
  • Una reazione è spontanea se la variazione di energia libera di Gibbs è negativa.
  • Quando la variazione dell’energia libera di Gibbs è nulla allora la reazione ha raggiunto l’equilibrio.
  • L’energia libera di Gibbs è correlata all’entalpia e all’entropia di reazione mediante l’equazione di Gibbs-Helmholtz.

LEGGE DI HENRY

La legge di Henry governa gli equilibri liquido-gas. Secondo tale legge, a una data temperatura, un gas si scioglie in un liquido fino a che la pressione esercitata sulla superficie del liquido uguaglia la pressione che il gas esercita al suo interno.

In un sistema chiuso, raggiunta la condizione di equilibrio, il numero di molecole di gas che nell’unità di tempo passano dalla fase liquida alla fase gassosa uguaglia il numero di molecole che dalla fase gassosa passa alla fase liquida.

All’aumentare della pressione si ha una maggiore solubilità del gas nel liquido. L’equilibrio è pertanto caratterizzato da una maggiore quantità di gas disciolta nel liquido.

Figura 1 – Dipendenza della solubilità del gas nel liquido al variare della pressione

Anche la temperatura gioca un ruolo chiave nel regolare la solubilità di un gas in un liquido. A una data pressione, la solubilità di un gas in un liquido diminuisce all’aumentare della temperatura.

FORMULE PER ESPRIMERE LA LEGGE DI HENRY

Esistono diverse equazioni per esprimere la legge di Henry:

C = kP

In questa espressione, P rappresenta la pressione che il gas esercita sulla superficie del liquido, C la concentrazione del gas nel liquido mentre k è una costante chiamata costante di Henry il cui valore è correlato alla natura del gas, del liquido e dalla temperatura.

Dall’analisi dimensionale si evidenzia come l’unità di misura di questa costante sia pari a mol/(Latm).

P = kx

In questa espressione, P rappresenta la pressione che il gas esercita sulla superficie del liquido, x la frazione molare del gas nel liquido mentre k è la costante di Henry il cui valore è correlato alla natura del gas, del liquido e dalla temperatura.

Dall’analisi dimensionale si evidenzia come l’unità di misura di questa costante sia pari a una pressione (atm).

yPtot = kx

In questa espressione compare la legge di Dalton delle pressioni parziali. Può essere utilizzata quando in fase aeriforme è presente una miscela di gas.

y rappresenta la frazione molare del gas in fase gassosa, Ptot rappresenta la pressione totale che l’intera miscela di gas esercita sulla superficie del liquido, x la frazione molare del gas nel liquido e k è la costante di Henry il cui valore è correlato alla natura del gas, del liquido e dalla temperatura.

Dall’analisi dimensionale si evidenzia come l’unità di misura di questa costante sia anche in questo caso pari a una pressione (atm).

CONCETTI CHIAVE:

  • La legge di Henry governa gli equilibri liquidi-gas.
  • Diminuire la pressione e aumentare la temperatura rendono sfavorevole la solubilizzazione di un gas in un liquido.
  • Aumentare la pressione e diminuire la temperatura rendono favorevole la solubilizzazione di un gas in un liquido.