3.5: Un'introduzione all'energia libera

Come possiamo confrontare l'energia che si sprigiona da una reazione con quella di un'altra reazione? Usiamo una misurazione dell'energia libera per quantificare questi trasferimenti di energia. Gli scienziati chiamano questa energia libera Energia libera di Gibbs (abbreviata con la lettera G) in onore di Josiah Willard Gibbs, lo scienziato che ha sviluppato la misurazione. Secondo la seconda legge della termodinamica, tutti i trasferimenti di energia comportano la perdita di energia in una forma inutilizzabile come il calore, con conseguente entropia. L'energia libera di Gibbs si riferisce specificamente all'energia di una reazione chimica che è disponibile dopo aver tenuto conto dell'entropia. In altre parole, l’energia libera di Gibbs è energia utilizzabile o energia disponibile per svolgere lavoro.

Ogni reazione chimica comporta una variazione di energia libera, chiamata delta G (∆G). Possiamo calcolare la variazione di energia libera per qualsiasi sistema che subisce tale cambiamento, come una reazione chimica. Per calcolare ∆G, sottrai la quantità di energia persa nell'entropia (indicata come ∆S) dalla variazione di energia totale del sistema. L'energia totale nel sistema è entalpia e la denotiamo come ∆H. La formula per il calcolo del ∆G è la seguente, dove il simbolo T si riferisce alla temperatura assoluta in Kelvin (gradi Celsius + 273):

ΔG = ΔH − TΔS

Esprimiamo la variazione di energia libera standard di una reazione chimica come una quantità di energia per mole del prodotto di reazione (in kilojoule o kilocalorie, kJ/mol o kcal/mol; 1 kJ = 0,239 kcal) in condizioni standard di pH, temperatura e pressione . Generalmente calcoliamo le condizioni standard di pH, temperatura e pressione a pH 7,0 nei sistemi biologici, 25 gradi Celsius e 100 kilopascal (pressione di 1 atm), rispettivamente. Si noti che le condizioni cellulari variano considerevolmente da queste condizioni standard, quindi i valori ∆G calcolati standard per le reazioni biologiche saranno diversi all'interno della cellula.

Questo testo è adattato da Openstax, Biologia 2e,Section 6.2: Potential, Kinetic, Free, and Activation Energy e Openstax, Chimica 2e Section 16.4: Free Energy.

L'energia libera di Gibbs è l'energia disponibile per un sistema per eseguire lavori a temperatura e pressione costanti. La variazione dell'energia libera, o ∆G, può essere utilizzata per prevedere la spontaneità di una reazione.

I processi spontanei aumentano l'entropia dell'universo; tuttavia, è difficile misurare questo cambiamento di entropia perché include cambiamenti nel disordine del sistema studiato e dei suoi dintorni.

Usando l'equazione per l'energia libera di Gibbs, la spontaneità può essere determinata dalla sola variazione di entalpia ed entropia del sistema.

Se il sistema rilascia calore, l'ambiente circostante assorbe il calore, il che influenza la casualità dell'ambiente circostante. Matematicamente, l'entropia dell'ambiente circostante è uguale alla variazione di entalpia negativa del sistema divisa per la temperatura.

Riorganizzando l'equazione di Gibbs si vede che il rapporto negativo tra la variazione di energia libera e la temperatura è uguale alla variazione di entropia dell'universo.