3.8: Energia libera ed equilibrio

Il cambiamento di energia libera per un processo può essere visto come una misura della sua forza motrice. Un valore negativo per ΔG rappresenta una forza trainante per il processo nella direzione in avanti, mentre un valore positivo rappresenta una forza trainante per il processo nella direzione inversa. Quando ΔG è zero, le forze motrici in avanti e all’indietro sono uguali e il processo avviene in entrambe le direzioni alla stessa velocità (il sistema è in equilibrio).

Il quoziente di reazione, Q, è una misura conveniente dello stato di un sistema di equilibrio. Q è il valore numerico dell’espressione dell’azione di massa per il sistema e può essere utilizzato per identificare la direzione in cui procederà una reazione al fine di raggiungere l’equilibrio. Quando Q è minore della costante di equilibrio, K, la reazione procederà in avanti fino a raggiungere l’equilibrio e Q = K. Al contrario, se Q > K, il processo procederà nella direzione inversa fino al raggiungimento dell’equilibrio.

La variazione di energia libera per un processo che avviene con reagenti e prodotti presenti in condizioni non standard (pressioni diverse da 1 bar; concentrazioni diverse da 1 M) è correlata alla variazione standard di energia libera secondo questa equazione:

ΔG = ΔG° + RT lnQ

R è la costante dei gas (8,314 J/K mol), T è il kelvin o temperatura assoluta e Q è il quoziente di reazione. Per gli equilibri in fase gassosa, viene utilizzato il quoziente di reazione basato sulla pressione, QP. Il quoziente di reazione basato sulla concentrazione, QC, viene utilizzato per gli equilibri in fase condensata.

Per un sistema all’equilibrio, Q = K e ΔG = 0, e l’equazione precedente può essere scritta come

0 = ΔG° + RT lnK (all’equilibrio)

ΔG° = −RT lnK

Questa forma dell’equazione fornisce un utile collegamento tra queste due proprietà termodinamiche essenziali e può essere utilizzata per derivare costanti di equilibrio da variazioni standard di energia libera e viceversa.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 16.4: Free Energy.