Energia libera ed equilibrio

Sia la costante di equilibrio che la variazione di energia libera standard possono essere usate per determinare se una reazione è favorita dal prodotto o dal reagente. Per qualsiasi composizione della miscela di reazione, il delta G per la reazione è la somma dell'energia libera standard e RT volte il log naturale del quoziente di reazione. Quando i reagenti e i prodotti sono in equilibrio, la variazione di energia libera è zero, e il quoziente di reazione è uguale alla costante di equilibrio.

Quindi la variazione di energia libera standard è uguale a RT negativo ln K.Se delta G nullo è minore di zero, ln K è positivo, il che significa che K è maggiore di 1. In questo caso, la formazione del prodotto è favorita all'equilibrio. Maggiore è la costante di equilibrio, più negativa è l'energia libera.

Prendiamo, per esempio, la scomposizione del tetrossido di diazoto a 298 kelvin, in cui K è 1, 34 10¹⁷. Sostituendo i valori noti nell'equazione, l'energia libera standard per la reazione è pari a 98 kilojoule per mole e la formazione del prodotto è favorita. Al contrario, se delta G nullo è maggiore di zero, ln K è negativo, il che significa che K è minore di 1 e la direzione inversa della reazione è favorita.

Si consideri la ripartizione del gas di anidride solforica a 298 kelvin, avente un delta G nullo di 141, 6 kilojoule per mole. L'equazione può essere riorganizzata in modo che il ln K sia uguale al delta G negativo su RT.Sostituendo i valori noti nell'equazione, ed elevando e alla potenza del risultato, K è molto piccolo, indicando che il reagente è favorito. In particolare, se la temperatura varia, anche la costante di equilibrio cambierà.

La dipendenza dalla temperatura della costante di equilibrio può essere derivata dall'equazione che mette direttamente in relazione K con il delta G nulla per la reazione. Il delta G nullo può essere sostituito dall'entalpia standard meno la temperatura moltiplicata per l'entropia standard. Dividendo entrambi i lati per RT negativo si ottiene ln K è uguale al delta H negativo su RT più delta S su R.Questa equazione ha la forma di una linea retta in cui il logaritmo naturale di K può essere tracciato contro l'inverso della temperatura in kelvin, con una pendenza del delta negativo H su R e un'intercetta dell'asse delle y del delta S su R.Se i valori di K vengono misurati a due temperature leggermente diverse, questo grafico può anche essere usato per calcolare la variazione di entalpia, supponendo che rimanga costante su un intervallo di temperatura limitato.