Energía libre: predicción de la espontaneidad de una reacción

Publicado el 7 septiembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

¿Qué es la espontaneidad?

Eche un vistazo a las siguientes actividades y, basándose en lo que ya sabe, permítanos predecir lo que sucederá.

Primero, pensemos en la roca y lo que le sucede en la colina. A la izquierda de la pantalla, está en la cima de la colina:

roca rodando cuesta abajo

Si le damos un empujón solo para que se mueva, la roca rueda hasta el fondo. No necesita que lo ayudemos una vez que comienza. La roca rueda por la colina por sí sola.

En esta imagen estamos tratando de hacer que la roca ruede cuesta arriba:

empujando una roca cuesta arriba

Simplemente no rodará cuesta arriba por sí solo. La única forma en que esto puede suceder es poner una gran cantidad de esfuerzo o energía para impulsarlo. Tan pronto como dejamos de empujar, la roca vuelve a rodar colina abajo.

Por su propio conocimiento de cómo funcionan las cosas, supongo que predijo que la piedra tendería a rodar cuesta abajo por sí sola. Pero simplemente no hará el proceso inverso, que es retroceder cuesta arriba. La única forma en que la roca podría volver a subir la colina es poner energía para volver a subir.

Aquí está nuestra segunda actividad. Aquí tenemos un fuego de leña.

fuego de leña

Inicialmente, para que arda un fuego tenemos que proporcionar una chispa, en este caso una cerilla. Pero una vez encendido, el fuego arderá por sí solo. No tenemos que seguir sosteniendo un fósforo para mantenerlo encendido. El fuego solo dejará de arder cuando se quede sin leña. O si hago algo físicamente para apagarlo.

moléculas que intentan recrear la madera

A la derecha de la pantalla de arriba, tenemos el reverso de la quema. Los productos de la combustión son el dióxido de carbono y el agua, y aquí estamos tratando de recrear la madera y el oxígeno nuevamente.

La intuición te dice que no puedes hacer eso. Una vez que se quema la madera, eso es todo; no se puede volver a crear la madera simplemente invirtiendo la reacción. Una vez más, sabe que la madera se quema fácilmente por sí sola (una vez que se enciende), pero el proceso inverso no ocurre.

¿Qué tienen ambos ejemplos en común? En ambos casos, hay una dirección que ocurrirá por sí sola y la otra no. Eso es espontaneidad.

Una reacción que es espontánea es un proceso que podría ocurrir por sí solo sin ningún trabajo externo. La reacción opuesta SIEMPRE no es espontánea. No puede ocurrir sin una intervención externa significativa.

La espontaneidad nos dice la dirección que tomará la reacción, pero nada acerca de qué tan rápida será. Por ejemplo, ha visto que la quema de madera es una reacción espontánea; sin embargo, sin una llama inicial, sería tan lento que no lo notaríamos. Es muy importante que no pienses que algo espontáneo es algo que sucede rápidamente; Eso simplemente no es cierto. Algunas reacciones espontáneas ocurren muy rápidamente, mientras que otras reacciones espontáneas ocurren mucho más lentamente.

Espontaneidad y temperatura

Aquí hay dos ejemplos más de actividades espontáneas; esta vez, piense en las condiciones que las hacen espontáneas.

Entonces, ¿qué vemos aquí?

hielo en la playa y hielo en la nieve

A la izquierda, vemos que es una playa muy cálida y el hielo sólido se está derritiendo espontáneamente a líquido. La temperatura es de 25 grados Celsius y sabemos que el agua siempre es líquida por encima de los 0 grados C. No hay forma de que podamos revertir esta reacción a esta temperatura; el agua siempre será líquida.

Pero en la imagen de la derecha, tenemos el mismo bloque de hielo, pero esta vez la temperatura es mucho más fría y el hielo sólido permanece congelado. A -15 grados Celsius, el agua es hielo sólido, y si tuviéramos agua líquida, se congelaría espontáneamente. Nuevamente, no hay forma de que podamos revertir esta reacción a esta temperatura; el agua siempre será hielo sólido.

Estos ejemplos nos muestran que la espontaneidad de un proceso se ve muy afectada por la temperatura. Si el agua es líquida, helada o gaseosa depende de la temperatura. Una vez más, la reacción inversa a una temperatura determinada siempre es no espontánea.

Energía libre y espontaneidad

Si bien podemos averiguar la dirección espontánea de algunas reacciones, no siempre es tan obvio y particularmente no para muchas reacciones químicas. Por lo tanto, es bueno saber que existe una manera fácil de decirnos si un proceso ocurrirá espontáneamente. Y aquí es donde entra la energía libre de Gibbs .

Esta nueva cantidad fue descubierta por un científico estadounidense llamado J. Willard Gibbs, quien definió una nueva relación matemática que describe la espontaneidad:

G = HTS

Hizo un vínculo entre la energía libre ( G ), la entalpía ( H ), la temperatura ( T ) y la entropía ( S ).

Debido a que generalmente estamos viendo cómo ha cambiado un sistema, podemos reescribir ligeramente esta ecuación.

El cambio en la energía libre de Gibbs representa la cantidad de cambio total de energía que está disponible o es gratis para realizar un trabajo útil. Por eso la energía gratuita es tan importante; queremos sacar energía de un proceso espontáneo y no tener que poner energía. A partir de esta ecuación podemos calcular fácilmente los valores de la energía libre de Gibbs, y lo hacemos en una lección diferente.

Pero el punto clave de esta lección es que ahora tenemos una única cantidad cuyo signo matemático nos dirá fácilmente si una reacción es espontánea. En otras palabras, ¿puedo sacar provecho de esta reacción?

Para una reacción espontánea, el signo de delta G es siempre NEGATIVO. Entonces, para una reacción espontánea, está buscando una energía libre menor que cero. Si termina con una energía libre de más de cero, entonces tiene una reacción no espontánea.

Una forma fácil de recordar esto es aprender la siguiente rima:

Cuando el delta G es menor que cero, entonces la roca bajará la colina. Cuando el delta G es más que cero, ¡de ninguna manera esa roca sube la colina!

Resumen de la lección

En esta lección, ha aprendido que una reacción espontánea es aquella que tiene lugar sin ningún trabajo del exterior. También sabe que la reacción inversa de una reacción espontánea siempre es no espontánea. La espontaneidad nos dice la dirección de la reacción, pero no qué tan rápido va. La energía libre de Gibbs reúne entalpía, entropía y temperatura en una fórmula sencilla. G = HTS . Y, finalmente, el signo de delta G SIEMPRE es negativo para una reacción espontánea.

Los resultados del aprendizaje

Los temas anteriores fueron diseñados para expandir su capacidad para:

  • Caracterizar una reacción espontánea
  • Escribe la fórmula de energía libre de Gibbs
  • Comprender cómo la entalpía, la entropía y la temperatura están relacionadas con la espontaneidad de una reacción.
  • Recuerde el signo de delta G para reacciones espontáneas

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