1.1.8. Energía libre y espontaneidad
La energía libre de Gibbs y la espontaneidad
La segunda ley de la termodinámica nos ayuda a determinar si un proceso será espontáneo y el uso de los cambios en la energía libre de Gibbs para predecir si una reacción será espontánea en uno o en otro sentido (o si estará en equilibrio).
Puntos más importantes:
- La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo siempre aumenta para un proceso espontáneo:
- A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs se define como ∆G=∆H-T∆.
- Cuando ∆G es negativo, un proceso ocurrirá de manera espontánea, y se lo conoce como exergónico.
- La espontaneidad de un proceso puede depender de la temperatura.
Procesos espontéaneos
Un proceso espontáneo es aquél que ocurre sin el suministro de energía externa, puede ocurrir rápida o lentamente. Un ejemplo clásico es el proceso que lleva al carbono en forma de diamante al grafito.
C(s,diamante) → c(s,grafito)
Otro aspecto a recordar es que los procesos espontáneos pueden ser exotérmicos o endotérmicos. Es otra manera de decir que la espontaneidad de un proceso no está necesariamente relacionada con el cambio de entalpía ∆H.
¿Cómo sabemos si un proceso ocurrirá de manera espontánea?
Podemos utilizar la segunda ley de la termodinámica. Según dicha ley, cualquier proceso espontáneo debe aumentar la entropía en el universo. Esto puede expresarse matemáticamente como sigue: Para un proceso espontaneo;
Se puede evitar tener que determinar el cambio de entropía del universo al definir y usar una nueva cantidad termodinámica que se llama la energía libre de Gibbs.
La energía libre de Gibbs y la espontaneidad
Cuando se produce un proceso a temperatura T y presión P constantes, podemos reordenar la segunda ley de la termodinámica y definir una nueva cantidad que se conoce como energía libre de Gibbs:
Energía libre de Gibbs: G = H – TS
En donde H es la entalpía, T la temperatura en °k (kelvin) y S es la entropía. La energía libre de Gibbs se representa con el símbolo G y normalmente tiene unidades kJ/mol-reacción.
Cuando usamos la energía libre de Gibbs, nos ocupamos solamente en los cambios en G. EL cambio de la energía libre de Gibbs en un proceso se escribe como ∆G, y es la diferencia entre la energía libre de Gibbs de los productos, Gfinal, y la energía de Gibbs de los reactivos, Ginicial.
∆G = Gfinal – Ginicial
Para un proceso a T y P constantes, podemos reescribir la ecuación para la energía libre de Gibbs en función de cambios en la entalpia (∆Hsistema) y en la entropía (∆Ssistema) de nuestro sistema:
∆Gsistema = ∆Hsistema - T∆Ssistema
Esta ecuación permite determinar el cambio de energía libre de Gibbs a partir del cambio de entalpia, ∆H, y de entropía, ∆S, del sistema. Podemos usar el signo de ∆G para averiguar si una reacción es espontanea en un sentido o si la reacción esta en equilibrio.
- Cuando ∆G < 0, el proceso es exergónico y ocurrirá espontáneamente en sentido directo para formar más productos
- Cuando ∆G > 0, el proceso es endergonico, es espontaneo en el sentido inverso para producir más reactivos
- Cuando ∆G = 0, el sistema está en equilibrio y las concentraciones de productos y reactivos permanecen constantes
- Las reacciones exotérmicas son espontaneas a bajas temperaturas
- Las reacciones endotérmicas son espontaneas a altas temperaturas
Calcular el cambio de energía libre de Gibbs
- ∆G: depende de la temperatura
- ∆H y ∆S: son independientes a la temperatura
- Cuando el proceso ocurre en condiciones estándar: todos lo9s gases a presión de 1 bar, todas las concentraciones son de 1m y tienen una T=25°C
- Prestar atención a las unidades de kJ y J, de ser necesario realizar la conversión
- La temperatura siempre es positiva o cero ya que son unidades de K
CALCULAR ΔG PARA LA FUSIÓN DEL HIELO.
Consideremos un ejemplo que exhibe el efecto de la temperatura en la espontaneidad de un proceso.
La entalpía y la entropía de fusión para el agua tienen los siguientes valores:
ΔH fus = 6.01 KJ/mol-reacc
ΔfusS = 22.0 J/mol-reacc * K
¿Cuál es ΔG para la fusión de hielo a 20°C?
El proceso que estamos considerando es el cambio de fase del agua de sólido a líquido:
H2O (s) --> H2O (lt)
Para este problema, podemos utilizar la siguiente ecuación para calcular ΔGreacc.
ΔG = ΔH – TΔS
Ya conocemos ΔH y ΔS. Solo tenemos que revisar nuestras unidades.
Si ponemos los valores para ΔH, T y ΔS en nuestra ecuación, obtenemos:
ΔG = ΔH – TΔS
= -0.44 KJ/mol - rxn
Ya que ΔG es negativo, vamos a predecir que el hielo se funde espontáneamente a 20°C.
RESUMEN.
La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo siempre aumenta para un proceso espontáneo.
A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs se define como:
ΔG = ΔH -TΔS
Cuando ΔG es negativo, el proceso ocurrirá espontáneamente y se le llama proceso exergónico.
