Reacción espontánea: definición y ejemplos

¿Qué es una reacción espontánea?

Imagina que estás pasando por una cascada natural. El agua que cae cuesta abajo lo hace por sí sola y no necesita ayuda de diques o represas. Ahora imagina algo aún más común: sacar un refresco frío de tu refrigerador y colocarlo junto a tu computadora. Después de un tiempo, el refresco se vuelve a temperatura ambiente; nuevamente, sin ninguna intervención de tu parte.

A partir de esto, podemos definir una reacción espontánea como una reacción que ocurre en un conjunto dado de condiciones sin intervención. Una reacción espontánea procede a completarse sin ninguna ayuda externa.

El hecho de que una reacción sea espontánea no implica automáticamente que estas reacciones ocurran instantáneamente. Un ejemplo de esto es cuando las uñas de hierro se oxidan debido a la exposición constante a la humedad; este proceso no ocurre durante la noche, pero puede llevar días o meses. Aún así, el proceso no necesita ninguna intervención externa.

Reacciones espontáneas y entropía

Pensemos de esta manera: ¿Dónde dedicas más esfuerzo, limpiando tu casa o haciendo un lío? En general, gastamos más esfuerzo y energía limpiando nuestras casas, y si perdemos una semana o dos de limpieza, entonces fácilmente se ensucia. Podemos decir que hacer un lío es definitivamente un proceso más espontáneo.

De acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinámica , una reacción es espontánea si aumenta la entropía o desorden general. Si volvemos a nuestra analogía de limpiar la casa, cuando nuestra casa se vuelve desordenada, entonces la entropía aumenta. El desorden que se acumula es una reacción espontánea y, como resultado, la entropía aumenta.

Si el cambio de entropía general, representado como dS , aumenta, entonces la reacción es espontánea. El cambio de entropía general proviene del total del cambio de entropía en un sistema y el cambio de entropía en el entorno, como se muestra en la siguiente ecuación:

En una reacción espontánea, el hecho de que el cambio general en la entropía sea positivo no significa que la entropía de los sistemas y el entorno siempre deban ser ambos positivos. Siempre que la entropía positiva del sistema o del entorno compense el cambio de entropía negativa del otro, la reacción será espontánea.

¿Es una reacción espontánea?

Ahora que sabemos que el cambio de entropía general debería aumentar para las reacciones espontáneas, podemos usar esta información para saber si una reacción es espontánea o no. Para poder saber si una reacción es espontánea o no cualitativa, es decir, sin tener que calcular nada, lo primero que miramos es la entropía. Hay formas de saber si la entropía de su sistema aumenta.

Una de estas formas es un cambio de fase . La disposición de las moléculas de la fase sólida a la fase líquida a la fase gaseosa se vuelve más desordenada y el movimiento de las moléculas también aumenta, lo que resulta en una entropía más alta, como se muestra en la figura.

Entonces, por ejemplo, cuando una sustancia cambia de sólida a líquida, las moléculas se mueven más libremente y la disposición se vuelve menos compacta. Lo mismo ocurre con el cambio de sólido a gas o de líquido a gas. La evaporación es un ejemplo de esto.

Otra forma de saber si hay un aumento de entropía es si hay un aumento de temperatura. En los días fríos, es posible que desee quedarse adentro y leer junto al fuego. En los días más cálidos, con el sol afuera, es posible que desee salir a disfrutar del clima. Podemos pensar en las moléculas de la misma manera: hay más movimiento cuando aumenta la temperatura y, por lo tanto, un aumento en la entropía.

En términos de una reacción química, si se mezclan dos sustancias y se libera calor a los alrededores, la entropía resultante aumenta.

Hay un dicho, “cuanto más, mejor”. Si compara el movimiento y la actividad de dos personas en una cita con un grupo de cinco amigos cenando juntos, el grupo más grande suele ser más ruidoso y hay varias conversaciones que tienen lugar al mismo tiempo, esto conduce a una mayor entropía.

Podemos aplicar esto cuando una reacción química da como resultado un aumento en una cantidad de moles, lo que también conduce a una mayor entropía. Un ejemplo de esta reacción se vería así:

El nitrato de amonio sólido se disocia en iones de amonio y nitrato acuosos. El nitrato de amonio reactivo es sólido y se descompone en dos iones. Se disuelve y da como resultado un mayor número de partículas en el lado del producto. La entropía aumenta debido al aumento del número de moles y también debido al cambio de fase.

Otra forma en que la entropía puede aumentar es mediante un aumento de volumen. La expansión de los gases es un proceso espontáneo, como se muestra en la figura siguiente. Al abrir la válvula para que las moléculas de gas puedan viajar al otro compartimento, el movimiento de las moléculas de gas aumenta a medida que aumenta el volumen.

También podemos verlo de esta manera: si se le da más espacio para moverse, tiende a moverse más libremente alrededor de ese espacio – más movimiento = mayor entropía.

Reacciones espontáneas y energía libre de Gibbs

Mencionamos anteriormente que las reacciones espontáneas dan como resultado un aumento de la entropía. Sin embargo, la entropía por sí sola no es suficiente para predecir si una reacción será espontánea o no. También debemos considerar si las reacciones liberan calor ( exotérmico ) al entorno o si absorben calor ( endotérmico ) del entorno, porque hay casos en los que las reacciones endotérmicas también son espontáneas. También hay casos en los que un cambio negativo en la entropía puede provocar una reacción espontánea.

Al examinar estos dos factores: la entropía y si la reacción es exotérmica o endotérmica o no, podemos saber si una reacción es espontánea usando la ecuación de Gibbs Free Energy:

Según esta ecuación, si la energía libre, G, del sistema es negativa, entonces la reacción es espontánea. La siguiente tabla presenta diferentes casos sobre el signo de cambios en H y S y cómo afecta a la energía libre. Podemos usar esto para predecir si una reacción será espontánea o no.

Resumen de la lección

Una reacción espontánea es una reacción que ocurre en un conjunto dado de condiciones sin intervención. Las reacciones espontáneas van acompañadas de un aumento de la entropía o desorden general. Puede predecir cualitativamente si una reacción tendrá un aumento de entropía observando el cambio de fase, el cambio de temperatura, el cambio en el número de moles en una reacción química y un aumento de volumen.

La entropía no es el único factor que se considera al observar la espontaneidad de una reacción. También hay que considerar el calor que desprende una reacción: si una reacción es exotérmica o endotérmica . Al considerar estos dos factores, obtenemos la ecuación de energía libre de Gibbs para predecir si una reacción se producirá espontáneamente o no. Si la energía libre de Gibbs es negativa, entonces la reacción es espontánea y, si es positiva, no es espontánea.

Características de una reacción espontánea

• Por definición: una reacción que ocurre en un conjunto dado de condiciones sin intervención
• Acompañado por un aumento en la entropía general
• Puede incluir un posible cambio de fase, volumen o temperatura
• El sistema tiene energía libre negativa

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado, debería poder:

• Recuerda lo que es una reacción espontánea
• Explica cómo se relacionan las reacciones espontáneas y la entropía.
• Enumere algunos de los factores que pueden aumentar la entropía.
• Explicar el propósito de la ecuación de energía libre de Gibbs para determinar reacciones espontáneas.