Energía libre de Gibbs: Definición y significado

La energía libre de Gibbs

Cuando tiras de una roca con una cuerda y una polea, elevas la altura de la roca. En mecánica, diríamos que aumentamos la energía potencial de la roca. Esto se debe a que si lo soltamos, la roca ganará velocidad a medida que caiga. Si la piedra golpea un clavo que está parcialmente insertado en el piso, el clavo penetrará más en el piso. Diríamos que la roca funcionó en el clavo porque la energía potencial original de la roca se utilizó para insertar el clavo en el suelo.

De manera similar, la energía libre de Gibbs es la energía disponible en una sustancia para realizar un trabajo. Sin embargo, este trabajo no implica trabajo mecánico, lo que significa que la sustancia no se expande ni contrae para empujar algo. Se refiere al ‘trabajo químico’ involucrado en las reacciones químicas. Se podría pensar en el trabajo químico como la energía involucrada en la transformación de una sustancia química en otra. La energía libre de Gibbs es una energía potencial química en una sustancia. Está definido por la ecuación:

G = H – TS

Donde G es la energía libre de Gibbs, H es la entalpía, T es la temperatura y S es la entropía. La entalpía y la entropía son propiedades termodinámicas de un sistema relacionadas con la energía interna del sistema y su grado de desorden.

Espontaneidad de las reacciones químicas

La energía potencial mecánica de la roca se mide por la altura de la roca sobre el suelo. En el suelo, la roca no tiene energía potencial. De manera similar, la energía libre de Gibbs de una sustancia química se mide en referencia a otro estado químico al que se le asigna una energía libre de Gibbs de cero. Dos sustancias diferentes pueden tener diferentes energías libres de Gibbs. Además, el estado de una sustancia puede tener mayor energía libre de Gibbs que otro estado de la misma sustancia.

En la Tierra, los objetos siempre quieren caer y reducir su energía potencial. En el mundo de las transformaciones químicas, los productos químicos siempre quieren minimizar su energía libre de Gibbs. Lo que esto significa es que las sustancias químicas tenderán a transformarse en otros estados o sustancias químicas que tienen menos energía libre de Gibbs. La roca, si no está sostenida por la cuerda, siempre querrá caer al suelo donde tiene menos energía potencial. Una sustancia química con mayor energía libre de Gibbs siempre querrá transformarse en una sustancia química con menor energía libre de Gibbs.

Este tipo de reacciones químicas se denominan reacciones espontáneas porque suceden sin necesidad de ningún aporte de energía, al igual que la roca cae sin que hagamos nada. El hielo siempre se convertirá en agua cuando la temperatura sea superior a 0 grados Celsius. A estas temperaturas, nunca vemos que el agua se convierta en hielo. Diríamos que la conversión de hielo en agua se produce de forma espontánea. Si quisiéramos convertir el agua en hielo, necesitaríamos extraer calor. Si quisiéramos volver a colocar la piedra sobre el suelo, tendríamos que tirar con fuerza de la cuerda. En este caso, diríamos que la conversión de agua en hielo y el aumento de la altura de la roca no se producen de forma espontánea.

Energía libre de Gibbs y reacciones espontáneas

Si una transformación química ocurre espontáneamente o no, está determinado por el cambio de energía libre de Gibbs:

deltaG = Gf – Gi = deltaH – T (deltaS)

Donde deltaG es el cambio en la energía libre de Gibbs, Gf es la energía libre de Gibbs final de los productos de la reacción, Gi es la energía libre de Gibbs de los reactivos, deltaH es el cambio de entalpía y deltaS es el cambio de entropía.

Si una reacción conduce a la formación de sustancias químicas con menos energía libre de Gibbs, la reacción se produce de forma espontánea. Aquí, deltaG es negativo (Gf es menor que Gi). Si una reacción conduce a la formación de sustancias químicas con mayor energía libre de Gibbs, la reacción no se produce de forma espontánea. Tal reacción requeriría algún tipo de entrada de energía. En este caso, deltaG es positivo (Gf es mayor que Gi). Si se conoce la energía libre de Gibbs del estado final e inicial de las sustancias químicas, es posible predecir si se producirá una transformación química entre los dos estados de forma espontánea.

Por ejemplo, cuando mezclamos sal de mesa (NaCl) con agua, la sal se disocia en dos iones (átomos cargados eléctricamente):

NaCl —-> (Na +) + (Cl-)

Esta es una reacción espontánea porque no necesitamos hacer mucho más que agregar la sal al agua y removerla un poco. Decimos que la sal se disuelve fácilmente en agua. La sal tiende a disociarse porque en presencia de agua, la energía libre de Gibbs de los iones disociados es menor que la energía libre de Gibbs de los dos iones unidos entre sí. El cambio de energía libre de Gibbs de esta transformación sería:

deltaG = Gf – Gi

Al reemplazar Gf con las energías libres de Gibbs de los iones disociados (GNa y GCl) y Gi con la energía libre de sal de Gibbs (GNaCl), tenemos:

deltaG = (GNa + GCl) – GNaCl

Donde (GNa + GCl) es menor que GNaCl.

Resumen de la lección

La energía libre de Gibbs es la energía disponible de una sustancia que se puede utilizar en una transformación o reacción química. Las sustancias tienden a transformarse en otras sustancias que tienen menos energía libre de Gibbs. El cambio de energía libre de Gibbs predice si una reacción química ocurrirá espontáneamente. Las reacciones químicas ocurren espontáneamente si el cambio en la energía libre de Gibbs entre los productos y los reactivos iniciales es negativo (menos de cero).

Los resultados del aprendizaje

Cuando haya terminado, debería poder:

• Recuerde lo que es la energía libre de Gibbs
• Recite la ecuación de la energía libre de Gibbs
• Ilustre por qué y cómo ocurren las reacciones espontáneas
• Explicar cómo determinar si una reacción química ocurrirá espontáneamente.