Entropia, Entalpia ed energia libera di Gibbs per i test Medico Sanitari

Voglio iniziare proponendoti un quiz.

Una reazione incognita che avviene a -25 gradi centigradi è caratterizzata da una variazione di entalpia pari a -100 kJ/mol. Scegli l’alternativa corretta.

A)L’entropia sarà sempre positiva, la reazione non avverrà

B)L’entropia sarà sempre negativa, la reazione non avverrà

C)La variazione di energia libera di Gibbs sarà sempre positiva, la reazione non avverrà.

D)La variazione di energia libera di Gibbs sarà sempre negativa , la reazione avverrà.

E)Quesito senza soluzione univoca e/o corretta

Siamo ora a cavallo tra la fisica e la chimica poiché stiamo usando i concetti di termodinamica per spiegare eventi quali le reazioni chimiche. In particolare, tramite i concetti di Energia libera di Gibbs(G), Entalpia (H) ed Entropia (S) possiamo dire quando una reazione è possibile.

S= entropia, ossia grado di disordine di un sistema.

H= entalpia quantità di energia interna che un sistema termodinamico può scambiare con l’ambiente. Se una reazione ha ΔH positivo allora è endoergonica, cioè ha acquisito energia, mentre se ha ΔH negativo allora ha ceduto energia e si definisce esoergonica.

G= Energia libera di Gibbs, quindi disponibile a pressione e temperatura costanti per fare un lavoro.

T=temperatura in Kelvin

dG=dH-TdS

Conoscendo la variazione di entropia e quella di entalpia, nonché la temperatura alla quale si svolge l’operazione, è possibile calcolare la variazione dell’energia libera di Gibbs mediante la seguente formula:

L’evento, nel nostro caso una reazione, avverrà solo se ΔG<0.

Questa regola, che può sembrare un dogma, è ovviamente ricavabile matematicamente in modo neanche troppo complesso.

Ma facciamo ragionare la nostra mente, cogliendo l’analogia esistente tra energia libera di Gibbs ed energia potenziale della fisica meccanica. Seguitemi.

Vi chiedo: perché una mela cade? “Perché c’è la gravità” risponderebbe Newton. Ma andiamo oltre. La mela cade spontaneamente perché si sposta da una condizione a maggior energia potenziale (Epot=mgh) verso una condizione a minor energia potenziale, con conseguente differenza tra energia potenziale finale e iniziale minore di zero. Analogamente un sistema “cade spontaneamente” da uno stato all’altro poichè il secondo ha una minor energia libera di Gibbs, con conseguente differenza tra energia libera di Gibbs finale e iniziale minore di zero. Dov’è andata quell’energia? Ha prodotto lavoro e/o calore.

Torniamo al nostro caso. La reazione in questione avviene a -25 gradi centigradi, ossia circa 298 Kelvin. La variazione di entalpia ΔH è pari a -100 kJ/mol. Inseriamo quindi questi dati nella formula introdotta poche righe sopra.

Possiamo dire con certezza che la variazione di energia libera di Gibbs sarà sempre negativa o sempre negativa? No. Infatti con valori di variazione di entropia negativa (ΔS<0) avremo sempre una variazione di energia libera di Gibbs ΔG  negativa, mentre potremo anche avere una variazione di energia libera di Gibbs ΔG positiva se la variazione di entropia fosse per esempio pari a ΔS=1 kJ/molK .

Non potendo determinare con certezza ΔG e quindi se la reazione avverrà o meno, dovremo considerare come risposta corretta è quindi E.

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