Spontaneità di una reazione esercizi

La spontaneità di una reazione può essere prevista da dati termodinamici e in particolare dalla variazione di energia libera di Gibbs

L’energia libera simboleggiata con la lettera G è una funzione di stato in quanto è correlata alla funzione di stato entalpia H e alla funzione di stato entropia S e alla  temperatura.

L’espressione che correla la variazione di energia libera con la variazione di entalpia e di entropia è ΔG = ΔH – TΔS

Una reazione avviene spontaneamente se ΔG < 0; una reazione è all’equilibrio se ΔG = 0 e una reazione non avviene spontaneamente su ΔG > 0

Conoscendo la variazione di entalpia e di entropia e la temperatura si può determinare la spontaneità di una reazione. Si può inoltre, nota la variazione di entalpia e di entropia determinare a quale temperatura la reazione avviene spontaneamente.

Esercizi

1)      Si consideri la reazione 3 HC≡CH _(g)→ C₆H_6(g) per la quale ΔH = – 597.3 kJ e ΔS = – 0.33 kJ/K. Calcolare ΔG a 27 °C valutandone la spontaneità. Determinare inoltre la temperatura alla quale la reazione è in equilibrio e la temperatura oltre la quale oltre la quale la reazione non è spontanea.

Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ha, dopo aver convertito i gradi centigradi in gradi Kelvin:

ΔG = – 597.3 kJ – (300 K)( – 0.33 kJ/K)=  – 498.3 kJ

Poiché il valore di ΔG risulta essere negativo allora la reazione è spontanea.

All’equilibrio ΔG = 0 quindi calcoliamo la temperatura alla quale si verifica l’equilibrio:  0 = – 597.3 kJ – (T)( – 0.33 kJ/K)=

Da cui 597.3 = – (-0.33 T) = 0.33 T

Da cui T = 1810 K che corrispondono a 1537 °C

La reazione non è spontanea se ΔG > 0  quindi si deve avere che ΔH – TΔS > 0 ovvero:

TΔS < – ΔH

T(- 0.33) < 597.3

T > 1810 K che corrispondono a 1537 °C

2)      Si consideri la reazione NH₄NO_3(s) → NH₄⁺_(aq) + NO₃^–_(aq) per la quale ΔH° =28.05 kJ e ΔS°= 108.7 J/K. Calcolare ΔG a 25 °C valutandone la spontaneità.

La temperatura di 25 °C corrisponde  a 298 K.

Convertiamo la variazione di entropia il kJ/K: ΔS°= 0.1087 kJ/K

Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ha:

ΔG° = 28.05 – (298)(0.1087) =  – 4.34 kJ

Poiché il valore di ΔG risulta essere negativo allora la reazione è spontanea.

3)      Nella reazione NH_3(g) + HCl_(g) → NH₄Cl_(s) i valori termodinamici sono: ΔH =- 176.0 kJ e ΔS°= – 0.2849 kJ/K. Calcolare ΔG a 25 °C valutandone la spontaneità.

Applicando l’equazione ΔG = ΔH – TΔS si ha:

ΔG = – 176.0 kJ – (298 K)(- 0.2849 kJ/K) = – 91.1 kJ

Poiché il valore di ΔG risulta essere negativo allora la reazione è spontanea.