¿Qué es una reacción espontánea? Procesos y reacciones espontáneas
¿Qué es una reacción espontánea?
Las reacciones químicas pueden ser espontáneas, no espontáneas o en equilibrio (un estado sin cambios netos). La definición de reacción espontánea es: una reacción química que favorece la formación de productos en las condiciones dadas una vez iniciada la reacción. En otras palabras, se observa que la reacción ocurre por sí sola (es decir, sin entrada de energía externa) una vez que la reacción está en marcha.
Por ejemplo, el bicarbonato de sodio y el vinagre reaccionan espontáneamente a temperatura ambiente, como lo demuestran las burbujas de dióxido de carbono que se forman cuando las dos sustancias se mezclan. Por el contrario, un pastel no se convierte espontáneamente en masa cruda.
El final de la definición (una vez que ha comenzado la reacción) es importante porque algunas reacciones espontáneas necesitan un aporte inicial de energía para comenzar, pero luego continúan sin aporte de energía adicional. Por ejemplo, la madera a temperatura ambiente no se quemará espontáneamente, pero una vez que se proporciona la chispa inicial, la madera se quema sin energía externa adicional. Así, la combustión es espontánea aunque no se inicie por sí sola.
Las reacciones espontáneas son irreversibles porque favorecen la formación de productos. Sin embargo, los otros rasgos de las reacciones espontáneas varían mucho. Una reacción espontánea:
- Puede ser una reacción exotérmica (libera energía térmica por lo que ΔH < 0) o endotérmica (absorbe energía térmica por lo que ΔH > 0).
- Puede tener una velocidad de reacción rápida o lenta.
- Puede ser espontáneo a todas las temperaturas o solo a algunas temperaturas.
La reacción espontánea es una reacción irreversible
Una reacción irreversible es una reacción que procede en una sola dirección (reactivos a productos o productos a reactivos). Una reacción espontánea es irreversible porque procede solo en la dirección del reactivo al producto.
Un proceso espontáneo puede depender de la temperatura, lo que hace que la reacción espontánea sea irreversible a esa temperatura. Un ejemplo de esto es que una sustancia se congelará espontáneamente en su punto de congelación o por debajo de él, pero no se derretirá espontáneamente a esa temperatura. Por el contrario, el agua no se congela espontáneamente a temperatura ambiente, pero un cubo de hielo se derrite espontáneamente a esa temperatura.
Tasa de reacción de reacción espontánea
La velocidad de reacción de las reacciones espontáneas varía, ya que la velocidad de reacción es una cuestión de cinética más que de espontaneidad. En otras palabras, ocurren reacciones espontáneas rápidas, pero no todas las reacciones espontáneas son rápidas o lentas.
Por ejemplo, una reacción espontánea rápida es la quema de propano. Una vez que se proporciona una chispa inicial, el combustible se quema muy rápidamente. Por el contrario, la oxidación de un clavo durante muchos años es un proceso lento y espontáneo.
Proceso Espontáneo
Así como una reacción puede ser espontánea, también lo puede ser un proceso. De hecho, las reacciones espontáneas son un subconjunto de los procesos espontáneos. ¿Qué es el ”proceso espontáneo”? La definición de proceso espontáneo es: un proceso que ocurre por sí solo sin aportes externos. El proceso puede ser una reacción o puede no serlo. Por ejemplo, una pelota que rueda cuesta abajo es un proceso espontáneo pero no una reacción espontánea.
Los factores que determinan si un proceso es espontáneo incluyen la energía libre de Gibbs, la entropía y la temperatura.
Energía libre de Gibbs: cambio espontáneo
La energía libre de Gibbs es la cantidad de energía que un sistema puede utilizar para realizar un trabajo. Más específicamente, es la cantidad máxima de trabajo que puede realizar un sistema cerrado cuando la temperatura y la presión se mantienen constantes.
La ecuación de la energía libre de Gibbs es Δ G = Δ H – TΔ S, donde G es la energía libre de Gibbs, H es la entalpía (energía térmica), T es la temperatura en Kelvin y S es la entropía, que se discutirá más adelante en este artículo.
La conexión espontánea de la energía libre de Gibbs es que un proceso es espontáneo si su cambio en la energía libre de Gibbs es negativo, mientras que no es espontáneo si su cambio en la energía libre de Gibbs es positivo. Si el cambio en la energía libre de Gibbs es cero, entonces el proceso está en equilibrio. Esta relación se resume en la tabla.
| Signo del cambio en la energía libre de Gibbs | Resultado |
|---|---|
| – | espontáneo |
| + | no espontáneo |
| 0 | en equilibrio |
Entropía y espontaneidad
La entropía es una medida de la cantidad de desorden en un sistema. Por ejemplo, un conjunto de 100 ladrillos en una pared de ladrillos tiene una entropía más baja que una pila de 100 ladrillos dispuesta al azar porque los ladrillos en la pared están ordenados, mientras que la pila de ladrillos está más desordenada.
La conexión entre la entropía y la espontaneidad es que la entropía es uno de los factores que determina el cambio de energía libre de Gibbs, que a su vez determina la espontaneidad. Recuerde que Δ G = Δ H – TΔ S. T no puede ser negativo (no hay temperaturas Kelvin negativas), por lo que el signo de Δ S determina el signo de T Δ S. Porque un Δ G negativo hace que un proceso sea espontáneo, teniendo un Δ S positivo (y por lo tanto un T Δ S positivo) hace que sea más probable que Δ G sea negativo.
La relación entre entropía y espontaneidad también está cubierta por la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía del universo aumenta para cualquier proceso espontáneo.
La temperatura
Cuando Δ H y TΔ S tienen signos opuestos, la temperatura no determina la espontaneidad. Cuando tienen el mismo signo, las magnitudes relativas de Δ H y TΔ S determinan el signo de Δ G, y así la temperatura determina la espontaneidad.
Por ejemplo, el derretimiento de un cubo de hielo es endotérmico, por lo que tiene Δ H positivo. El agua está más desordenada que el hielo, por lo que la fusión tiene un Δ S positivo y, por lo tanto, un T Δ S positivo. Cuando T es grande, predomina el segundo término de la ecuación de energía libre de Gibbs, por lo que Δ G es negativo, razón por la cual el hielo se derrite espontáneamente a altas temperaturas. Cuando T es pequeño, predomina el primer término de la ecuación de energía libre de Gibbs, por lo que Δ G es positivo, razón por la cual el hielo no se derrite espontáneamente a bajas temperaturas.
Ejemplos de procesos espontáneos
Hay muchos ejemplos de procesos espontáneos en la vida diaria. Para cada ejemplo de reacción espontánea, considere el signo de cada término en la ecuación de energía libre de Gibbs y luego use las siguientes reglas:
- Si Δ H < 0 y T Δ S > 0, el proceso siempre es espontáneo.
- Si Δ H > 0 y T Δ S < 0, el proceso nunca es espontáneo.
- Si Δ H > 0Δ y T Δ S > 0, el proceso es espontáneo solo a altas temperaturas.
- Si Δ H < 0 y T Δ S < 0, el proceso es espontáneo solo a bajas temperaturas.
Considere los siguientes ejemplos de procesos espontáneos a la luz de la ecuación de energía libre de Gibbs:
- Como se discutió anteriormente, el derretimiento del hielo (Figura 1) es espontáneo solo a altas temperaturas. Eso incluye la temperatura ambiente, ya que la temperatura ambiente está por encima del punto de fusión del agua.
- La congelación del agua (Figura 1) por debajo de su punto de congelación es espontánea porque la congelación tiene un cambio negativo en la entropía, por lo que T debe ser lo suficientemente bajo para que predomine el Δ H negativo del proceso exotérmico.
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- La disolución de terrones de azúcar en agua caliente (Figura 2) es un proceso espontáneo porque el sistema se vuelve más desordenado y, por lo tanto, Δ S > 0. El proceso es endotérmico, entonces Δ H > 0. Debido a que los dos términos de la ecuación de energía libre de Gibbs son positivos, el proceso es espontáneo solo a altas temperaturas.
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- El decaimiento radiactivo es espontáneo a todas las temperaturas porque los elementos se rompen en más pedazos (ver Figura 3), causando más desorden (Δ S > 0), y el proceso es exotérmico, entonces Δ H < 0.
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Resumen de la lección
Una reacción espontánea es una reacción química que favorece la formación de productos en las condiciones dadas, por lo que se produce sin aporte de energía exterior. Del mismo modo, un proceso espontáneo es un proceso que ocurre sin una entrada externa. La espontaneidad está determinada por el signo del cambio en la energía libre de Gibbs, que es la cantidad máxima de energía que un sistema puede utilizar para realizar un trabajo cuando la temperatura y la presión se mantienen constantes. La ecuación de energía libre de Gibbs es Δ G = Δ H – TΔ S, donde G es la energía libre de Gibbs, H es la entalpía (energía térmica), T es la temperatura en Kelvin, y S es la entropía(trastorno). Un proceso es espontáneo cuando Δ G < 0, no espontáneo cuando Δ G > 0 y en equilibrio cuando Δ G > 0. Entonces, tener un cambio negativo en la entalpía (es decir, un proceso exotérmico) y un cambio positivo en la entropía son favorables. De hecho, la segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo aumenta para cualquier proceso espontáneo. Para analizar la espontaneidad, considere los signos de H y S, y luego use las siguientes reglas:
- Si Δ H < 0 y T Δ S > 0, el proceso siempre es espontáneo.
- Si Δ H > 0 y T Δ S < 0, el proceso nunca es espontáneo.
- Si Δ H > 0 y T Δ S > 0, el proceso es espontáneo solo a altas temperaturas.
- Si Δ H < 0 y T Δ S < 0, el proceso es espontáneo solo a bajas temperaturas.
Para los dos últimos casos, T determina si G es positivo o negativo, por lo que la espontaneidad de la reacción depende de la temperatura. Tenga en cuenta que todas las reacciones espontáneas son reacciones irreversibles (es decir, proceden en una sola dirección). Entonces, un proceso que es espontáneo en una dirección no lo es en la dirección opuesta. Por ejemplo, si el agua se congela espontáneamente a cierta temperatura, entonces no se derretirá espontáneamente a esa temperatura. Otros ejemplos de procesos espontáneos incluyen la oxidación de metales, el derretimiento del hielo a temperatura ambiente y la disolución del azúcar en el café caliente.
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