Predicción de la entropía de cambios físicos y químicos

Publicado el 7 septiembre, 2020

Introduciendo la entropía

En pocas palabras, la entropía (dado el símbolo S ) es una medida de la aleatoriedad o el desorden de un sistema. Déjame darte un ejemplo de esto. Digamos que arrojaste 100 monedas al aire. Las posibilidades de que todos caigan cara arriba o de cola arriba son muy bajas. Sin embargo, las posibilidades de que aterricen de manera aleatoria son muy altas. Si los arrojas al aire por segunda vez, es muy probable que caigan todos de una manera aleatoria diferente, algunas caras y otras cruces.

Solo hay una forma de conseguir todas las monedas del mismo lado hacia arriba; pero para la aleatoriedad hay un número infinito de formas. Pruébelo usted mismo como una demostración rápida de cómo los sistemas tenderán a volverse más aleatorios por sí mismos, si se les permite. Los científicos a menudo usan la palabra espontáneo en lugar de “por sí mismos”, y esto significa un proceso que podría ocurrir por sí solo sin ningún trabajo externo.

Otro ejemplo de aleatoriedad o entropía es mi dormitorio. Una vez más, existe una gran probabilidad de que, por sí solo, mi dormitorio sea un revoltijo aleatorio en unos pocos días, con ropa, revistas y libros por todas partes. Para detener este caos, tengo que esforzarme (o, en otras palabras, tengo que poner trabajo en el sistema) para arreglarlo y ponerlo en orden. En general, la naturaleza tiende a moverse espontáneamente de estados más ordenados a estados más aleatorios. Entonces, ahora le hemos dado una razón científica para explicar un dormitorio desordenado, veamos qué más podemos hacer con este nuevo concepto.

Factores que afectan el valor de la entropía

Al predecir si un sistema tiene una entropía alta o baja, tenemos que pensar en cuántos lugares diferentes pueden estar las partículas. En otras palabras, ¿pueden moverse y desorganizarse? Piense en el baile en línea, que es muy ordenado y muy organizado, y compárelo con el break dance, que es mucho más fluido y caótico. En sistemas físicos y químicos, generalmente se aplica lo siguiente:

El líquido tiene una entropía más alta que el sólido .

imagen de hielo y agua líquida

Aquí, nuestro cubo de hielo está realmente restringido: las moléculas de agua se mantienen en su lugar en el sólido por fuerzas intermoleculares y, por lo tanto, están muy ordenadas; hay un movimiento muy limitado. Las moléculas no pueden moverse fuera de la estructura sólida y tienen una probabilidad muy limitada de aleatoriedad. Sin embargo, el líquido tiene cierta libertad para extenderse y desordenarse. Las fuerzas que mantienen unidas las moléculas son más débiles que el hielo. La entropía ha aumentado.

El gas tiene una entropía más alta que el líquido .

representación de la molécula de gas

Las moléculas de gas ya no se mantienen unidas por ninguna fuerza y ​​pueden moverse libremente donde quieran. Aquí, nuestras moléculas de vapor de agua pueden esparcirse por la habitación y moverse. Nuestro líquido, sin embargo, todavía tiene algo de orden. Una forma sencilla de recordar los aumentos de entropía con el orden de las fases es ‘Cabritos tontos’. Los sólidos tienen la entropía más baja y los gases tienen los valores de entropía más altos.

Calentar las cosas aumenta la entropía .

Cuanto más se calienta algo, más se puede mover, más desorden tiene. Imagina que estás en un club y bailas con tus amigos. Cuando hace frío, se acurrucan y se mueven muy lentamente. Su grupo está bastante ordenado mientras se mantienen juntos. Sin embargo, a medida que el club se calienta y usted se vuelve más y más cálido, comienza a extenderse y alejarse de sus amigos. Su desorden o entropía ha aumentado.

Cuantos más moles de gas, mayor es la entropía .

Ya hemos aprendido que el gas tiene la entropía más alta. Entonces, se deduce que cuantos más moles de gas tenga, más entropía habrá.

Predicción del cambio de entropía

Al predecir si una reacción física o química tendrá un aumento o una disminución de la entropía, observe las fases de las especies presentes. Recuerda ‘Silly Little Goats’ para ayudarte a saberlo. Decimos que ‘si la entropía ha aumentado, Delta S es positivo’ y ‘si la entropía ha disminuido, Delta S es negativo’. Aquí hay dos ejemplos rápidos:

¿Predice si la entropía aumentará o disminuirá en esta reacción?


Reacción por ejemplo
reacción de ejemplo

Bien, aquí vamos de tres moles de gas a dos moles de líquido. Sabemos que ‘Silly Little Goats’ nos dice que la entropía aumenta de sólido a gas. Ahora, aquí vamos de gas a líquido. Entonces, la entropía ha disminuido; en esta reacción, Delta S es negativo.

Aquí hay otro ejemplo: ‘El dióxido de carbono sólido se sublima’.

Esta reacción física es simplemente hielo seco. El dióxido de carbono pasa directamente del sólido al gas; esto se llama sublimación. Aquí, ‘Silly Little Goats’ nos dice que la entropía ha aumentado y Delta S es positivo.

Cálculo del cambio de entropía en una reacción química

Además de predecir si el cambio de entropía será positivo o negativo, también podemos calcular el cambio de entropía utilizando los valores que se nos dan en una tabla de datos. Podemos hacer esto porque la entropía, al igual que la entalpía, es una función de estado. Porque esto significa que no tenemos que preocuparnos de cómo pasamos de un lugar a otro, lo único que nos importa es dónde comenzamos y dónde terminamos. Para medir el cambio de entropía de una reacción, podemos usar la ecuación simple:


Ecuación de cambio de entropía
ecuación

Aquí, puede ver que calculamos el cambio de entropía simplemente deduciendo el valor de entropía de los reactivos del valor de entropía de los productos. Cuanto mayor sea el número positivo, mayor será el aumento de entropía. Entonces, hagamos un ejemplo rápido.


Reacción por ejemplo
reacción por ejemplo

Bien, al observar esta reacción, debería predecir inmediatamente si habrá un aumento o una disminución en la entropía. Aquí estamos formando un gas, por lo que nuestra predicción es que la entropía aumentará. Veamos si eso es cierto. Tenemos algunos valores de entropías estándar que podemos usar:

Compuesto Valor J / mol.K
CaCO3 (s) 92,9
CaO (s) 39,8
CO2 (g) 213,6

Podemos sustituir estos valores en nuestra ecuación y calcular el cambio de entropía. Entonces, tenemos 39.8 + 213.6 J por mol por K para los productos, y podemos restar 92.9 J mol por K para los reactivos. Nuestro cambio de entropía general es +160,5 J por K. Entonces, tal como predijimos, hay un valor positivo para el cambio de entropía y la entropía ha aumentado.

Resumen de la lección

En esta lección, aprendimos que la entropía es una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema y que la naturaleza se mueve espontáneamente hacia sistemas con mayor entropía. La entropía aumenta a medida que pasa de sólido a líquido y a gas, y puede predecir si el cambio de entropía es positivo o negativo al observar las fases de los reactivos y productos. Siempre que haya un aumento en los moles de gas, la entropía aumentará. Puedes calcular el cambio de entropía de una reacción usando la ecuación simple.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado con esta lección, debería tener la capacidad de:

  • Definir entropía
  • Describir cómo la naturaleza se mueve espontáneamente en términos de entropía y entropía de sólidos, líquidos y gases.
  • Explicar cómo predecir el cambio de entropía observando las fases de reactivo y producto.
  • Identificar la ecuación para calcular el cambio de entropía de una reacción.

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