Che cos'è l'energia libera di Gibbs?

Molto probabilmente, le prime reazioni chimiche che hai studiato a scuola si sono mosse in una direzione; per esempio, l'aceto versato nel bicarbonato di sodio per fare un "vulcano". In realtà, la maggior parte delle reazioni dovrebbe essere illustrata con una freccia che punta in ogni direzione, il che significa che la reazione potrebbe andare in entrambe le direzioni. Determinare l'energia libera di Gibbs di un sistema offre un modo per determinare se una freccia è molto più grande dell'altra; cioè, la reazione va quasi sempre in una direzione o sono entrambi vicini alla stessa dimensione? In quest'ultimo caso, è probabile che la reazione vada in una direzione come nell'altra. I tre fattori critici nel calcolo dell'energia libera di Gibbs sono entalpia, entropia e temperatura.

L'entalpia è una misura di quanta energia è contenuta in un sistema. Un componente primario dell'entalpia è l'energia interna, o l'energia dal movimento casuale delle molecole. L'entalpia non è né l'energia potenziale dei legami molecolari né l'energia cinetica di un sistema in movimento. Le molecole in un solido si muovono molto meno di quelle di un gas, quindi il solido ha meno entalpia. Gli altri fattori nel calcolo dell'entalpia sono la pressione e il volume del sistema, che sono i più importanti in un sistema a gas. L'entalfia viene modificata quando si lavora su un sistema o se si aggiungono o si sottrae calore e/o materia.

Puoi pensare all'entropia come una misura dell'energia termica di un sistema o come una misura del disordine del sistema. Per vedere come sono collegati i due, pensa a un bicchiere d'acqua che si congela. Quando togli energia termica dall'acqua, le molecole che si muovevano liberamente e casualmente si bloccano in un cristallo di ghiaccio solido e molto ordinato. In questo caso, la variazione di entropia per il sistema è stata negativa; è diventato meno disordinato. A livello dell'universo, l'entropia è sempre in aumento.

L'entalpia e l'entropia sono influenzate dalla temperatura. Se aggiungi calore al sistema aumenterai sia l'entropia che l'entalpia. Anche la temperatura è inclusa come fattore indipendente nel calcolo dell'energia libera di Gibbs. Si calcola la variazione dell'energia libera di Gibbs moltiplicando la temperatura per la variazione di entropia e sottraendo il prodotto dalla variazione di entalpia per il sistema. Da questo, puoi vedere che la temperatura può cambiare drasticamente l'energia libera di Gibbs.

Essere in grado di calcolare l'energia libera di Gibbs è importante perché è possibile utilizzarla per determinare la probabilità che si verifichi una reazione. L'entalpia negativa e l'entropia positiva favoriscono una reazione in avanti. L'entalpia positiva e l'entropia negativa non favoriscono una reazione in avanti; queste reazioni andranno nella direzione opposta, indipendentemente dalla temperatura. Quando un fattore favorisce la reazione e l'altro no, la temperatura determina in quale direzione andrà la reazione. Se la variazione dell'energia libera di Gibbs è negativa, la reazione andrà avanti; se è positivo, andrà al contrario. Quando è zero, la reazione è all'equilibrio.