Reacciones espontáneas y energía libre de Gibbs

¿Qué es un proceso espontáneo?

Imagínate esto. Estás en una discoteca caliente bebiendo un vaso de cola fría con mucho hielo. Pones tu bebida en la barra para ir a bailar, y cuando vuelves a tomar un sorbo 20 minutos después, la cola está tibia. ¡Qué asco! Todo el hielo se ha derretido.

Eso no debería sorprenderle porque sabe instintivamente que si deja hielo fuera del congelador, se derretirá. No tenías que hacer nada más que dejar el hielo en la barra. Este es un ejemplo de reacción espontánea.

Ahora, mire esta imagen. Aquí está tratando de empujar una gran pila de gelatina cuesta arriba. Es difícil empujar la gelatina hacia arriba, y realmente tienes que poner la espalda en ella. Si quitas la mano aunque sea por un segundo, la gelatina solo quiere volver a caer. Para llevar esa gelatina cuesta arriba, tienes que empujarla físicamente allí. Este es un ejemplo de reacción no espontánea.

Una reacción espontánea es un proceso que podría ocurrir por sí solo sin ningún trabajo externo. Nuestro ejemplo de gelatina es una reacción no espontánea porque este es un proceso que solo puede ocurrir cuando se trabaja desde el exterior. Es importante saber que para una reacción espontánea, la reacción opuesta siempre es no espontánea. Decimos que la espontaneidad nos dice la dirección que tomará la reacción, pero nada sobre qué tan rápida será.

Ahora bien, este es un punto muy importante. Es muy importante que no pienses que algo espontáneo es algo que sucede rápidamente, esto simplemente no es cierto. Algunas reacciones espontáneas ocurren muy rápidamente, por ejemplo, una explosión, mientras que otras reacciones espontáneas ocurren mucho más lentamente. Un coche oxidado es un buen ejemplo de una reacción muy lenta pero espontánea.

Entalpía y entropía

Recordemos rápidamente dos 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). Las reacciones exotérmicas son termodinámicamente favorables. 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). Las reacciones endotérmicas son termodinámicamente desfavorables.

La segunda propiedad es la medida de la entropía (S) . Ésta es una medida de desorden o aleatoriedad en el sistema. En la naturaleza, una habitación desordenada es mucho más favorecida que una habitación ordenada y ordenada, y cuando aumenta el desorden, tenemos un + S. Los sistemas con valores elevados de entropía positiva son termodinámicamente favorables.

Juntas, la entalpía y la entropía pueden ayudarnos a comprender si una reacción es espontánea o no.

Energía libre y espontaneidad de Gibbs

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 si existe una manera fácil de decirnos si un proceso ocurrirá espontáneamente. Y aquí es donde entra la energía libre de Gibbs . Esta nueva cantidad describe la espontaneidad en una ecuación muy simple. Es un punto importante y debes aprender esta ecuación:

delta G = delta H – TdeltaS

Esta rima puede ayudarte a recordar:

D elicious G ymnasts E xcelled D iplomatically H ENCE M eaty T igers D elegated S olemnly

Podemos ver que la energía libre de Gibbs se calcula a partir de los cambios de entalpía y entropía, así como la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción. 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.

¡Realmente no queremos estar empujando gelatina cuesta arriba!

A partir de esta ecuación, podríamos calcular fácilmente los valores de la energía libre de Gibbs, 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.

Predecir una reacción espontánea

Es muy importante que pueda predecir si una reacción será espontánea. No necesita números para hacer esto; solo necesita comprender el impacto de todos los términos en la ecuación de Gibbs. Recuerde que una reacción espontánea tiene un valor negativo para delta G y un valor menor que 0.

Hay cuatro situaciones posibles, que se resumen en la siguiente tabla:

Como puede ver en la tabla, cuando los signos de entalpía y entropía son opuestos, podemos decir con certeza 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.

Donde las cosas se ponen un poco complicadas es cuando tienes entalpía y entropía con el mismo signo. Y 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 bajas temperaturas.

Para ayudarlo a comprender esto, volvamos a nuestra ecuación de Gibbs. Si tenemos un valor de entalpía negativa favorable, queremos maximizarlo, ya que necesitamos un valor negativo en general. Un valor de entropía negativo no es favorable; pero podemos negar el efecto teniendo un valor T pequeño. Todavía podemos salir negativos en general. Del mismo modo, si tenemos un valor de entropía positivo favorable, podemos maximizarlo si tenemos un valor de T grande. Esto niega el efecto del valor delta H positivo y desfavorable.

Permítanme terminar con un ejemplo de predicción rápida:

Predecir los signos de delta H, delta S y delta G para la vaporización de agua líquida a 130 ° C

• La vaporización es un proceso endotérmico, absorbe energía, por lo que delta H es positivo
• La vaporización aumenta el desorden al pasar de un líquido a un gas, por lo que delta S también es positivo
• Al mirar nuestra tabla, sabemos que esto es espontáneo a altas temperaturas, por lo que predecimos que delta G es negativo

La última pieza de lógica que también podríamos utilizar es que, en condiciones normales, el agua hierve a 100 C. Por lo tanto, esta reacción es espontánea a esta temperatura.

Resumen de la lección

Recapitulemos lo que hemos aprendido. Un proceso espontáneo ocurre por sí mismo sin ningún trabajo del exterior; mientras que una reacción no espontánea es un proceso que solo puede ocurrir cuando se trabaja. Recuerde que la espontaneidad no es una medida de cuán rápido ocurre una reacción. Hay reacciones espontáneas rápidas y lentas. Observamos la entalpía (H) , que es una medida de cuánta energía se libera o absorbe durante una reacción química. Una reacción exotérmica emite calor y tiene una -H. El calor se absorbe en una reacción endotérmica y tiene un + H. La entropía (S) es una medida de desorden o aleatoriedad en el sistema. La energía libre de Gibbs nos dice si una reacción es espontánea y la ecuación que debemos conocer es:

delta G = delta H – TdeltaS

Una reacción espontánea tiene un valor delta G negativo.

Finalmente, vimos cómo predecir si una reacción es espontánea. Cuando los signos de entalpía y entropía son opuestos, podemos decir con certeza si la reacción será espontánea o no. Pero cuando la entalpía y la entropía tienen el mismo signo, el efecto de la temperatura es importante. Cuando ambos son positivos, la reacción solo es espontánea a temperaturas más altas. Cuando ambos son negativos, la reacción solo es espontánea a bajas temperaturas.