Pe scurt
Termochimia studiază efectele termice ale reacțiilor chimice prin entalpie (H), iar electrochimia se ocupă de transformările dintre energia chimică și cea electrică în pile electrochimice. Legătura fundamentală dintre cele două domenii este dată de relația ΔG° = –nFE°, care corelează variația de energie liberă Gibbs cu potențialul standard al celulei. La bacalaureat, elevii trebuie să poată calcula ΔH prin legea lui Hess, să determine spontaneitatea reacțiilor electrochimice și să echilibreze ecuații redox.
Termochimia – studiul efectelor termice
Entalpia (H) este o funcție de stare care reflectă conținutul de energie al unui sistem. Variația de entalpie (ΔH) reprezintă căldura schimbată cu mediul la presiune constantă.
- Reacție exotermă: ΔH < 0, eliberează căldură
- Reacție endotermă: ΔH > 0, absoarbe căldură
Legea lui Hess permite calcularea ΔH pentru o reacție prin sumarea entalpiilor unor reacții intermediare.
Exemplu de calcul prin legea lui Hess
Calculați ΔH pentru reacția 2C(grafit) + O₂(g) → 2CO(g) știind că
- C(grafit) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH₁ = –393,5 kJ
- 2CO(g) + O₂(g) → 2CO₂(g), ΔH₂ = –566 kJ
Rezolvare: Se inversează a doua reacție și se înmulțește prima cu 2:
- 2C + 2O₂ → 2CO₂, ΔH₁' = –787 kJ
- 2CO₂ → 2CO + O₂, ΔH₂' = +566 kJ
- Se adună: 2C + O₂ → 2CO, ΔH = –787 + 566 = –221 kJ
Electrochimia – transformări între energie chimică și electrică
Pila electrochimică (celulă galvanică) generează curent electric printr-o reacție redox spontană.
- Anodul – electrodul unde are loc oxidarea
- Catodul – electrodul unde are loc reducerea
Potențialul standard al unei celule (E°celulă) se calculează din potențialele standard ale electrozilor:
- E°celulă = E°catod – E°anod
- Un potențial pozitiv indică o reacție spontană
Exemplu: Pila Daniell
Într-o pilă Daniell, electrozii sunt Zn (E° = –0,76 V) și Cu (E° = +0,34 V).
Rezolvare
- Anodul (oxidare): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, E°anod = –0,76 V
- Catodul (reducere): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, E°catod = +0,34 V
- E°celulă = 0,34 – (–0,76) = 1,10 V
- Reacția globală: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Legătura dintre termochimie și electrochimie
Relația fundamentală: ΔG° = –nFE°
- ΔG° – variația de energie liberă Gibbs
- n – numărul de electroni transferați
- F – constanta Faraday (96485 C/mol)
- E° – potențialul standard al celulei
O reacție exotermă cu ΔG° negativ produce un potențial pozitiv.
Exemplu de calcul al numărului de electroni
O reacție are ΔG° = –212 kJ. Determinați numărul de electroni transferați dacă E° = 1,10 V. Se dă F = 96485 C/mol.
Rezolvare
- Relația ΔG° = –nFE° → n = –ΔG°/(F·E°)
- ΔG° = –212000 J
- n = –(–212000)/(96485·1,10) = 212000/106133,5 ≈ 2 mol e⁻
Concepte cheie pentru bacalaureat
- Entalpia (H) și variația de entalpie (ΔH) ca măsură a căldurii la presiune constantă
- Legea lui Hess pentru calculul ΔH al reacțiilor indirecte
- Pile electrochimice: anod (oxidare) și catod (reducere), generarea curentului
- Potențialul standard de electrod și calculul E°celulă = E°catod – E°anod
- Relația ΔG° = –nFE° și interpretarea spontaneității reacțiilor redox
- Ecuația Nernst pentru condiții nestandard
- Seria de activitate a metalelor și factorii care influențează potențialul
La standard (25°C, 1 atm, concentrații 1 M), potențialele sunt tabelate și pot fi folosite pentru a prevedea direcția reacției.
Verifică-te!
- Care este diferența dintre o reacție exotermă și una endotermă din punctul de vedere al variației de entalpie?
- Într-o pilă electrochimică, care electrod este anodul și ce proces are loc la acesta?
- Ce semn are potențialul standard al unei celule (E°celulă) pentru o reacție spontană și prin ce relație matematică se calculează acesta?