Energia libera di reazione
L'energia libera di reazione è la variazione di energia libera di una reazione chimica. E' uguale alla differenza tra l'energia libera dei prodotti Gprodotti e l'energia libera dei reagenti Greagenti moltiplicate per i relativi coefficienti stechiometrici (i). $$ \Delta G = \sum i \cdot G_{prodotti} - \sum i \cdot G_{reagenti} $$
Permette di capire se una reazione avviene spontaneamente oppure no
- Se ΔG<0 i reagenti sono convertiti spontaneamente nei prodotti
- Se ΔG>0 la reazione non avviene spontaneamente.
- Se ΔG=0 il sistema è in equilibrio.
Se la reazione chimica è la reazione di formazione di una sostanza, si parla di energia libera di formazione.
Un esempio pratico
Data una reazione chimica
$$ 2NO(g) + O_2(g) \rightarrow 2NO_2 $$
La variazione di energia libera standard ΔG° è
$$ \Delta G° = \sum i \cdot G°_{prodotti} - \sum i \cdot G°_{reagenti} $$
$$ \Delta G° = 2 \cdot G°(NO_2) - [ 2 \cdot G°(NO) + G(O_2) ] $$
$$ \Delta G° = 2 \cdot G°(NO_2) - 2 \cdot G°(NO) - G(O_2) $$
La variazione di energia libera di una sostanza elementare è nulla.
Quindi, G°(NO2)=0.
$$ \Delta G° = 2 \cdot G°(NO_2) - 2 \cdot G°(NO) $$
Sostituendo i valori di G°(NO2)=51,3 kJ/mol e G°(NO)=87,6 kJ/mol si ottiene la variazione di energia libera della reazione chimica.
$$ \Delta G° = 2 \cdot 51,3 \: kJ/mol - 2 \cdot 87,6 \: kJ/mol $$
$$ \Delta G° = -72,6 \: kJ/mol $$
L'energia libera di formazione
L'energia libera di formazione di una sostanza è la variazione di energia libera standard della reazione di formazione della sostanza a partire degli elementi che la compongono. Si indica con ΔGf°.
Per convenzione l'energia libera molare standard di formazione delle sostanze elementari è zero a qualsiasi temperatura (ΔGf=0).
Pertanto la variazione dell'energia libera standard ΔGf° di un composto è uguale al valore assoluto dell'energia libera standard Gf°
$$ \Delta G°_f = \sum i \cdot G°_{f\: prodotti} - \sum i \cdot G°_{f \: reagenti} $$
$$ \Delta G°_f = \sum i \cdot G°_{f\: prodotti} - 0 $$
$$ \Delta G°_f = G°_f $$
Un esempio pratico
Prendo in considerazione la reazione chimica di formazione di una molecola di CO2.
$$ C + O_2 \rightarrow CO_2 $$
Per calcolare l'energia libera standard di formazione applico la formula
$$ \Delta G°_f = \sum i \cdot G°_{prodotti} - \sum i \cdot G_{reagenti} $$
$$ \Delta G°_f = G(CO_2) - [ G(C) + G(O_2) ] $$
La variazione di energia libera standard di formazione della molecola CO2 è ΔG°f -395 kJ/mol
$$ \Delta G°_f = -395 kJ/mol - [ G(C) + G(O_2) ] $$
Le variazioni di energia libera standard di formazione dell'atomo di carbonio e della molecola di ossigeno sono pari a zero ( ΔG°f = 0 kJ/mol ) perché sono sostanze elementari e per convenzioni sono nulle.
$$ \Delta G°_f = -395 kJ/mol - [ 0 + 0 ] $$
$$ \Delta G°_f = -395 kJ/mol $$
Quindi, la variazione di energia libera della reazione di formazione è ΔGf°=G°f
Inoltre, la reazione è spontanea perché ΔG°f <0.
E così via.
