Termochimie (entapie, entropie, energia libera Gibbs, spontaneitatea reactiilor)

Pe scurt

Termochimia studiază schimburile de căldură din reacțiile chimice, iar spontaneitatea acestora este determinată de combinația dintre entalpie (conținutul de energie) și entropie (gradul de dezordine) prin energia liberă Gibbs. O reacție este spontană când ΔG < 0, iar acest criteriu poate fi influențat de temperatură, permițând chiar și reacțiilor endoterme să devină spontane la temperaturi ridicate.

Definiții fundamentale

Termochimia este ramura chimiei care studiază schimburile de căldură asociate reacțiilor chimice.

Entalpia (H) reprezintă conținutul total de energie al unui sistem la presiune constantă. Variația de entalpie (ΔH) indică:

• Reacție exotermă: ΔH < 0, degajă căldură
• Reacție endotermă: ΔH > 0, absoarbe căldură

Entropia (S) măsoară gradul de dezordine sau haos al unui sistem. Al doilea principiu al termodinamicii afirmă că într-un proces spontan entropia totală a universului crește (ΔS_total > 0).

Energia liberă Gibbs (G) combină entalpia și entropia: G = H - T·S. Spontaneitatea unei reacții la temperatură și presiune constante este dată de semnul ΔG:

• ΔG < 0 → reacția este spontană (favorabilă termodinamic)
• ΔG = 0 → sistemul este în echilibru
• ΔG > 0 → reacția nu este spontană în condițiile date

Relația fundamentală este ΔG = ΔH - T·ΔS.

Influența temperaturii asupra spontaneității

O reacție poate fi spontană chiar dacă este endotermă (ΔH > 0) dacă entropia crește suficient (ΔS > 0) și temperatura este ridicată. De asemenea, o reacție poate fi spontană dacă este exotermă (ΔH < 0) cu descreștere de entropie (ΔS < 0) la temperaturi joase.

Calculul mărimilor termodinamice

În problemele de bacalaureat, se calculează

• ΔH°reacție din entalpii de formare standard (ΔH°f)
• ΔS°reacție din entropii standard (S°)
• ΔG° la 25°C (298 K) pentru a stabili spontaneitatea

Este esențial ca elevii să înțeleagă că spontaneitatea termodinamică nu implică și o viteză mare de reacție (cinetică).

Exemple tipice

• Arderea metanului (exotermă)
• Descompunerea carbonatului de calciu (endotermă, necesită temperatură ridicată pentru a fi spontană)
• Topirea gheții (proces endoterm cu creștere de entropie)

Exemple rezolvate

Exemplul 1 (Calcul ΔH reacție): Pentru reacția de ardere a metanului: CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l). Se dau: ΔH°f (CH₄) = -74,8 kJ/mol, ΔH°f (CO₂) = -393,5 kJ/mol, ΔH°f (H₂O l) = -285,8 kJ/mol. Calculați ΔH°reacție. Rezolvare: ΔH° = [1·ΔH°f(CO₂) + 2·ΔH°f(H₂O)] - [1·ΔH°f(CH₄) + 2·ΔH°f(O₂)] = [-393,5 + 2·(-285,8)] - [-74,8 + 0] = [-393,5 -571,6] + 74,8 = -965,1 + 74,8 = -890,3 kJ/mol. Reacția este exotermă, ΔH < 0.

Exemplul 2 (Calcul ΔG și spontaneitate): Pentru descompunerea CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g), la 25°C. Se cunosc: ΔH° = 178 kJ/mol, ΔS° = 160 J/(mol·K). Calculați ΔG° la 298 K și stabiliți dacă reacția este spontană.

Rezolvare: ΔG° = ΔH° - T·ΔS° = 178 kJ/mol - (298 K)·(0,160 kJ/(mol·K)) = 178 - 47,68 = 130,32 kJ/mol. Deoarece ΔG° > 0, reacția nu este spontană la 25°C. Pentru a fi spontană, trebuie ca ΔG < 0, adică T > ΔH/ΔS = 178/0,160 = 1112,5 K (≈ 839°C).

Deci la temperaturi ridicate, reacția devine spontană.

Exemplul 3 (Analiza semnelor): O reacție are ΔH = -200 kJ/mol și ΔS = -100 J/(mol·K). La ce temperaturi este spontană? Rezolvare: ΔG = ΔH - T·ΔS. Pentru spontaneitate, ΔG < 0 → -200 - T·(-0,100) < 0 → -200 + 0,1T < 0 → 0,1T < 200 → T < 2000 K. Deci reacția este spontană la temperaturi sub 2000 K. Observație: la T foarte mare, termenul -T·ΔS (deoarece ΔS negativ) devine pozitiv și poate face ΔG > 0.

Concepte cheie

• Entalpia (H) și variația de entalpie (ΔH) – căldura de reacție la presiune constantă
• Entropia (S) și al doilea principiu al termodinamicii – tendința spre dezordine
• Energia liberă Gibbs (G) = H - T·S; criteriul de spontaneitate: ΔG < 0
• Relația ΔG = ΔH - T·ΔS și influența temperaturii asupra spontaneității
• Calculul ΔH° și ΔS° reacție din date tabelare (entalpii de formare, entropii standard)
• Echilibrul termodinamic: ΔG = 0

Verifică-te!

1. Ce semn are ΔH pentru o reacție exotermă și ce înseamnă acest lucru din punct de vedere energetic?
2. Cum se modifică spontaneitatea unei reacții endoterme cu ΔS pozitiv atunci când temperatura crește?
3. Ce relație matematică leagă energia liberă Gibbs de entalpie și entropie?