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Prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 1 Spontaneità delle reazioni chimiche ovvero ΔG = ΔH - T ΔS.

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1 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 1 Spontaneità delle reazioni chimiche ovvero ΔG = ΔH - T ΔS

2 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 2 E spontanea: la diffusione di un soluto da una zona a concentrazione maggiore a una a concentrazione minore

3 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 3 E spontanea: la discesa di una pallina da una rampa

4 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 4 E spontaneo: larrugginimento del ferro

5 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 5 E spontanea: lespansione di un gas fino a riempire tutto il contenitore. Il mescolamento di due gas

6 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 6 E spontanea: la fusione del ghiaccio al di sopra di 0°C ma… La solidificazione dellacqua al di sotto di 0°C.

7 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 7 Per concludere diremmo che un processo è spontaneo : se accade naturalmente ovvero avviene senza interventi esterni Inoltre un processo spontaneo : Non si inverte naturalmente ovvero non lo è nel senso opposto

8 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 8 Quindi: possiamo far ritornare su la palla ma...

9 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 9 Oppure separare il ferro dalla ruggine ma...

10 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 10 Oppure separare le molecole di due gas, ma... come in tutti i casi visti, per invertire un processo spontaneo, si deve fare lavoro sul sistema. Ma che cosa è che rende spontaneo un processo?

11 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 11 La liberazione di calore da parte del processo potrebbe sembrare un criterio visto che spesso le reazioni esotermiche sono spontanee...ma anche lacqua, nel divenire ghiaccio libera calore. La solidificazione avviene però spontaneamente solo se si è al di sotto di 0°C!

12 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 12 Inoltre ci sono reazioni che avvengono spontaneamente con assorbimento di calore come dimostrano le buste di ghiaccio istantaneo, o più semplicemente quando mescoliamo un po di zucchero in acqua.

13 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 13 Non è il verso del passaggio di calore quello che può determinare la spontaneità di un processo. Un processo spontaneo comporta invece una diversa distribuzione dellenergia che potremmo chiamare più disordinata

14 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 14 Saltando, una palla trasferisce energia termica alle molecole del suolo. A poco a poco, tutta lenergia potenziale della palla si trasforma in calore. Grazie a Dario Bressanini uninsubria.it

15 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 15 Lenergia ordinata delle molecole della palla viene convertita in calore, energia termica delle molecole. Lenergia termica è disordinata, le molecole si muovono in modo casuale Grazie a Dario Bressanini uninsubria.it

16 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 16 Il disordine è un criterio da prendere in considerazione per sapere se un processo avviene spontaneamente visto che: un sistema disordinato ha più probabilità di esistere rispetto a uno ordinato.

17 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 17 Analogamente è molto più probabile che le molecole di un soluto diffondano omogeneamente nel solvente Le molecole di due gas si diperdano le une nelle altre

18 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 18 Questo perchè uno solo è il possibile stato ordinato mentre molti sono quelli disordinati!

19 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 19 Uff! Basta. Non posso fare tutti i sistemi disordinati. In realtà 6 palle blu e 6 palle gialle possono disporsi in 1324 modi: 1 solo è quello ordinato con sei palle sopra e sei palle sotto. Tutte le altre 1323 disposizioni sono disordinate rispetto a quella scelta. Gialle sopra Gialle sotto disposi zioni

20 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 20 Il numero di oggetti considerati in questo esempio è in realtà irrisorio rispetto a un litro di aria a c.n. in cui sono contenute 5,4·10 21 molecole di ossigeno e 2,15·10 22 molecole di azoto!

21 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 21 In una reazione chimica il disordine aumenta quando: si ottengono prodotti gassosi a partire da reagenti liquidi o solidi il numero delle molecole gassose aumenta PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl 2(g)

22 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 22 Come esiste una funzione di stato che rappresenta il calore scambiato a pressione costante, cioè l entalpia, altrettanto esiste una funzione di stato che descrive la probabilità di esistere di un sistema: l entropia

23 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 23 Per valutare se una reazione avviene spontaneamente dovremo tenere conto di entrambe le funzioni di stato considerate e anche della temperatura, tutte combinate nella relazione: ΔG = ΔH - T ΔS che dà appunto la variazione di energia libera da cui dipende la spontaneità o meno di una reazione

24 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 24 Analizziamo i casi possibili Se ΔH 0 (aspetto entropico favorevole) ΔG non può che essere negativo. Infatti: ΔG = ΔH - T ΔS negativonegativo, dato che la T è sempre positiva negativo

25 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 25 ΔHΔH -T Δ S Indipendentemente dal valore della temperatura il termine - T ΔS è sempre negativo ΔGΔG ΔGΔG ΔGΔG La reazione è sempre spontanea kJ

26 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 26 Rappresentiamo graficamente landamento di ΔG = ΔH - T ΔS - T ΔS ΔHΔH kJ T ΔGΔG Troppo noioso! ΔG è sempre negativo

27 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 27 Se ΔH <0 (aspetto entalpico favorevole) ΔS <0 (aspetto entropico sfavorevole) ΔG ha un segno che dipende dai valori reciproci. Il fattore che decide tutto è la temperatura che moltiplica il fattore entropico.

28 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 28 In altre parole, una reazione che avvenga con liberazione di calore e aumento del disordine è sempre spontanea, indipendentemente dalla temperatura. C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g)

29 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 29 ΔHΔH -T Δ S ΔGΔG ΔGΔG A temperature basse il termine -T ΔS è piccolo in valore assoluto e non supera il ΔH: la reazione è SPONTANEA kJ ΔHΔH A temperature alte il termine -T ΔS è grande in valore assoluto e supera il ΔH: la reazione è NON SPONTANEA

30 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 30 Rappresentiamo graficamente landamento di ΔG = ΔH - T ΔS - T ΔS ΔHΔH kJ T ΔGΔG A questa temperatura il segno di ΔG si inverte. Per essa ΔG=0 e quindi ΔH = T ΔS ovvero T = ΔH/ΔS Uhm, avvincente! Bisogna pensarci!

31 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 31 Riassumendo Se ΔH<0 (aspetto entalpico favorevole) ΔS<0 (aspetto entropico sfavorevole) ΔG < 0 per T<ΔH/ΔS ΔG > 0 per T>ΔH/ΔS

32 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 32 E un caso molto comune che si verifica per tutte le reazioni esotermiche che avvengano con diminuzione del disordine: 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) oppure N 2(g) + 3 H 2 2 NH 3 Bisogna raffreddare!!

33 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 33 Se ΔH >0 (aspetto entalpico sfavorevole) ΔS <0 (aspetto entropico sfavorevole) ΔG non può che essere positivo. Infatti: ΔG = ΔH - T ΔS positivopositivo, dato che la T è sempre positiva positivo

34 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 34 ΔHΔH -T Δ S Indipendentemente dal valore della temperatura il termine - T ΔS è sempre positivo ΔGΔG ΔGΔG ΔGΔG La reazione è sempre non spontanea kJ

35 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 35 Rappresentiamo graficamente landamento di ΔG = ΔH - T ΔS - T ΔS ΔHΔH kJ T ΔGΔG Troppo noioso! ΔG è sempre positivo

36 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 36 In altre parole, una reazione che avvenga con assorbimento di calore e diminuzione del disordine non è mai spontanea, indipendentemente dalla temperatura. 12 CO 2(g) + 6 H 2 O (g) 2 C 6 H 6(l) + 15 O 2(g)

37 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 37 Se ΔH >0 (aspetto entalpico sfavorevole) ΔS >0 (aspetto entropico favorevole) ΔG ha un segno che dipende dai valori reciproci. Il fattore che decide tutto è la temperatura che moltiplica il fattore entropico.

38 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 38 ΔHΔH -T Δ S ΔGΔG ΔGΔG A temperature basse il termine -T ΔS è piccolo in valore assoluto e non supera il ΔH: la reazione è NON SPONTANEA kJ ΔHΔH A temperature alte il termine -T ΔS è grande in valore assoluto e supera il ΔH: la reazione è SPONTANEA

39 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 39 Rappresentiamo graficamente landamento di ΔG = ΔH - T ΔS - T ΔS ΔHΔH kJ T ΔGΔG A questa temperatura il segno di ΔG si inverte. Per essa ΔG=0 e quindi ΔH = T ΔS ovvero T = ΔH/ΔS Uhm, avvincente! Bisogna pensarci!

40 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 40 E un caso molto comune che si verifica per tutte le reazioni endotermiche che avvengano con aumento del disordine: CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) Bisogna riscaldare!!

41 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 41 Riassumendo Se ΔH >0 (aspetto entalpico sfavorevole) ΔS >0 (aspetto entropico favorevole) ΔG > 0 per T<ΔH/ΔS ΔG ΔH/ΔS

42 prof. F.Tottola IPSIA E.Fermi Verona 42 Variazione entalpia Variazione entropia Variazione energia liberaSpontaneità reazione ΔH <0ΔS>0ΔG<0 ΔH >0ΔS<0ΔG>0 ΔH <0ΔS<0 ΔG>0 per T>ΔH/ΔS ΔG<0 per T<ΔH/ΔS ΔH >0ΔS>0 ΔG>0 per T<ΔH/ΔS ΔG ΔH/ΔS Magari sudando un pò, siamo arrivati a costruire questa tavola riassuntiva


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