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La relación entre entalpía (H), energía libre (G) y entropía (S)

Publicado el 7 septiembre, 2020

¿Qué es la energía libre?

Las reacciones químicas están a nuestro alrededor. Incluso están dentro de nuestro cuerpo. De hecho, el cuerpo humano es una masa de miles de reacciones químicas. Si eres como yo, con el que estás realmente familiarizado es con comer y digerir, científicamente llamado respiración celular. Amo esta reacción química. Aquí es donde comemos alimentos deliciosos que nuestro cuerpo descompone para formar los productos de dióxido de carbono y agua. Esta reacción química produce energía que podemos utilizar.

La cantidad de energía disponible depende del tipo de alimento que ingerimos y cuánta energía potencial está disponible en sus enlaces químicos. Si no usamos toda la energía entregada, el cuerpo almacena la energía adicional en forma de grasa. La energía disponible que nos permite correr y hacer un trabajo útil se llama energía libre de Gibbs o, a veces, simplemente energía de Gibbs . En pocas palabras, la energía libre de Gibbs es la cantidad de energía que queda después de que ha tenido lugar una reacción química. Es importante que tengamos esta energía sobrante adicional; de lo contrario, no podríamos trabajar.

Podemos usar nuestra comprensión de la energía libre de Gibbs como una manera fácil de predecir si una reacción es espontánea y calcular cuánta energía libre está disponible para usar. La espontaneidad es la dirección en la que se llevará a cabo la reacción sin interferencia externa. En otras palabras, no es necesario que sigamos poniendo trabajo o energía para que esto siga sucediendo.

La ecuación de energía libre de Gibbs con la que trabajaremos es Delta o el cambio en G es igual al cambio en la entalpía menos la temperatura multiplicado por el cambio en la entropía. Esta es una ecuación muy importante que debe recordar, así que asegúrese de memorizarla. G es igual a H menos TS . Utilice ‘Águilas verdes golpean televisores que gimen de repente’ para ayudarlo.

Entalpía y entropía revisadas

Como podemos ver en nuestra ecuación, la energía libre de Gibbs se calcula a partir de los cambios de entalpía y entropía, así como de la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción. Recordemos rápidamente estas importantes cantidades termodinámicas.

La entalpía ( H ) es una medida de cuánta energía se libera o absorbe durante una reacción química. La energía, en forma de calor, se libera en una reacción exotérmica y el cambio de entalpía es negativo, -H . Por otro lado, la energía, en forma de calor, se absorbe en una reacción endotérmica, y esta vez el cambio de entalpía es positivo, + H .

La segunda propiedad es la medida de entropía ( S ) , que es una medida de desorden o aleatoriedad en el sistema. En la naturaleza, una habitación desordenada es mucho más favorecido que una, habitación ordenada ordenado, y cuando aumenta el trastorno, disponemos + S .

¿Por qué las reacciones son espontáneas?

Ahora resulta que para una reacción espontánea, el signo de Delta G debe ser negativo. Sabiendo esto, ¿qué efecto tienen la entalpía y la entropía sobre la espontaneidad? Veamos primero la entalpía: es más probable que una reacción exotérmica sea espontánea; si Delta H es negativo, es más probable que Delta G también sea negativo y, por lo tanto, espontáneo. Y ahora, veamos la entropía: si una reacción provoca un aumento en la aleatoriedad del sistema, es más probable que sea espontánea; un término Delta S positivo también significará que es más probable que Delta G sea negativo.

El efecto de la temperatura

¿Entendido? ¡Ojalá fuera así de simple! Déjame tirar una llave inglesa en las obras. Sabemos por experiencia cotidiana que el agua se congela espontáneamente y recordamos que el hielo sólido está más ordenado que el líquido, por lo que la entropía del sistema ha disminuido. El término Delta S es negativo, entonces, ¿por qué esta reacción es espontánea?

Puedo escucharte gritar en el video, pero tiene que estar a una temperatura de congelación para que esto suceda. Y tiene toda la razón porque aquí es donde entra el efecto de la temperatura. Puede ver en la ecuación que puede tener un gran efecto en el término de entropía.

Entonces, ahora podemos ver que no podemos simplemente decir que si el cambio de entropía es negativo, la reacción siempre es no espontánea. Depende. Y hay cuatro situaciones posibles que puede tener una reacción, que se resumen en la siguiente tabla:

Efecto de la temperatura sobre la espontaneidad de una reacción

Delta H Delta S Delta G Comentarios
+ Espontáneo a todas las temperaturas
+ + No espontáneo a todas las temperaturas
+ + ? Espontáneo a altas temperaturas
? Espontáneo a bajas temperaturas

Como puede ver en la tabla, cuando los signos de entalpía y entropía son opuestos podemos decir con seguridad si la reacción será espontánea o no. Para que una reacción sea espontánea, la mejor combinación absoluta es un Delta H negativo y un Delta S positivo. Porque, recuerde, se necesita un Delta G negativo para que una reacción sea espontánea.

Donde las cosas se ponen un poco complicadas es cuando tienes entalpía y entropía con el mismo signo. Y aquí todo depende del efecto sobre la entropía por temperatura. Cuando ambos son positivos, la reacción solo es espontánea a temperaturas más altas. Cuando ambos son negativos, la reacción solo es espontánea a temperaturas más bajas. La temperatura exacta cuando una reacción se vuelve espontánea variará dependiendo de su reacción. Pero se puede descifrar fácilmente reordenando la ecuación de energía libre de Gibbs.

Entonces, ahora que hemos aprendido cómo predecir cuándo es probable que una reacción sea espontánea, hagamos un cálculo simple para que podamos ver si nuestras suposiciones son correctas. Entonces, mi pregunta: si el calor de reacción es -45.0 kJ y el cambio de entropía es -3.50 J / K, ¿el proceso será espontáneo o no espontáneo a 298 K?

Entonces, introduzcamos los valores en nuestra ecuación de energía libre de Gibbs. El calor de reacción es solo otra forma de decir cambio de entalpía, por lo que nuestro Delta H es -45.0 kJ, y nuestro Delta S es -0.0035 kJ / K (observe que necesitábamos convertir esto en kJ para que las unidades de energía sean las mismas ).

Delta G = -45,0 kJ – (298 K) (- 0,0035 kJ / K)

= -45,0 kJ + 1,04 kJ

= -44,0 kJ

Y debido a que delta G es negativo, este proceso es espontáneo a 298 K. Mirando hacia atrás en nuestra tabla, no necesariamente habríamos predicho esto; todo lo que sabemos es que sería espontáneo a temperaturas relativamente bajas.

Resumen de la lección

En esta lección, hemos aprendido que la energía libre de Gibbs es la energía que queda después de que ha tenido lugar una reacción. Para una reacción espontánea , el signo de Delta G debe ser negativo. La energía libre de Gibbs relaciona entalpía , entropía y temperatura. Siempre ocurrirá una reacción espontánea cuando Delta H sea negativa y Delta S sea positiva, y una reacción siempre será no espontánea cuando Delta H sea positiva y Delta S sea negativa. Y, finalmente, la temperatura tiene un papel importante debido al efecto sobre el término de entropía.

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección, debería poder:

  • Definir la energía libre y la espontaneidad de Gibbs
  • Identificar la ecuación de energía libre de Gibbs
  • Recuerde el papel de la temperatura en la ecuación de energía libre de Gibbs
  • Explicar cómo se pueden usar la entalpía, la entropía y la temperatura para predecir si una reacción será espontánea o no.

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