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17.7: Effetti della temperatura sull'energia libera

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Effects of Temperature on Free Energy

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02:11 min

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September 24, 2020

La spontaneità di un processo dipende dalla temperatura del sistema. Le transizioni di fase, ad esempio, procederanno spontaneamente in una direzione o nell’altra a seconda della temperatura della sostanza in questione. Allo stesso modo, alcune reazioni chimiche possono anche mostrare spontaneità dipendenti dalla temperatura. Per illustrare questo concetto, l’equazione relativa al cambiamento di energia libera all’entalpia e ai cambiamenti di entropia per il processo è considerata:

La spontaneità di un processo, come si riflette nel segno aritmetico del suo cambiamento di energia libera, è quindi determinata dai segni dei cambiamenti di entalpia ed entropia e, in alcuni casi, dalla temperatura assoluta. Poiché T è la temperatura assoluta (kelvin), può avere solo valori positivi. Esistono quindi quattro possibilità per quanto riguarda i segni dell’entalpia e dei cambiamenti di entropia:

Sia ΔH che ΔS sono positivi. Questa condizione descrive un processo endotermico che comporta un aumento dell’entropia del sistema. In questo caso, ΔG sarà negativo se la magnitudine del termine TΔS è maggiore di ΔH. Se il termine TΔS è minore di ΔH, il cambiamento di energia libera sarà positivo. Tale processo è spontaneo ad alte temperature e nonpontaneo a basse temperature.
Sia ΔH che ΔS sono negativi. Questa condizione descrive un processo esotermico che comporta una diminuzione dell’entropia del sistema. In questo caso, ΔG sarà negativo se la magnitudine del termine TΔS è minore di ΔH. Se la magnitudinedeltermine T Δ S è maggiore di ΔH, il cambiamento di energia libera sarà positivo. Tale processo è spontaneo a basse temperature e nonpontaneo ad alte temperature.
ΔH è positivo, e ΔS è negativo. Questa condizione descrive un processo endotermico che comporta una diminuzione dell’entropia del sistema. In questo caso, ΔG sarà positivo indipendentemente dalla temperatura. Tale processo non èpontaneo a tutte le temperature.
ΔH è negativo e ΔS è positivo. Questa condizione descrive un processo esotermico che comporta un aumento dell’entropia del sistema. In questo caso, ΔG sarà negativo indipendentemente dalla temperatura. Un tale processo è spontaneo a tutte le temperature.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 16.4: Energia Libera.

Transcript

Affinché una reazione sia spontanea a temperatura e pressione costanti, la variazione dell’energia libera di Gibbs, ΔG, deve essere inferiore a zero. Il segno di ΔG dipende dai segni e dai valori relativi di entalpia, entropia e temperatura. L’entalpia favorisce la spontaneità quando la reazione rilascia calore all’ambiente circostante, mentre l’entropia favorisce la spontaneità quando c’è più disordine nel sistema.

Se ΔH è negativo e ΔS è positivo, come nella reazione fra idrossido di sodio e acido cloridrico, ΔG è negativo a tutte le temperature. Pertanto, le reazioni esotermiche dove l’entropia del sistema aumenta sono sempre spontanee. Se sia ΔH che ΔS sono negativi, ΔG dipende dalla temperatura.

Si consideri il congelamento dell’acqua in ghiaccio, una reazione esotermica in cui l’entropia del sistema diminuisce. A temperature inferiori al punto di congelamento dell’acqua, l’acqua gelerà spontaneamente, rilasciando calore e diventando più ordinata. Pertanto, le reazioni con entalpia negativa e variazioni di entropia sono spontanee solo a basse temperature.

ΔG dipende anche dalla temperatura se sia ΔH che ΔS sono positivi. Un esempio comune è un impacco freddo chimico, in cui il nitrato di ammonio solido si dissolve in acqua, che assorbe il calore dall’ambiente circostante. Questa reazione endotermica procede spontaneamente a temperatura ambiente a causa dell’aumento del disordine del sistema.

Pertanto, le reazioni con entalpia positiva e cambiamenti di entropia sono spontanee solo a temperature più elevate. Se la temperatura venisse abbassata in modo tale che il TΔS diventi inferiore a ΔH, ΔG sarebbe positivo, e la reazione diventerebbe non spontanea. Quando ΔH è positivo e ΔS è negativo, ΔG è sempre positivo e la reazione è non spontanea a tutte le temperature.