Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Entropía y energía libre


En el campo de la termodinámica, emergen dos conceptos importantes: la entropía y la energía libre. Estos conceptos son fundamentales para entender cómo ocurren los procesos químicos y cómo ocurren los cambios energéticos en un sistema. A primera vista, pueden parecer complejos, pero con explicaciones claras y ejemplos, pueden ser entendidos fácilmente. Esta discusión detallada tiene como objetivo cubrir estos temas de manera comprensible.

Entendiendo la entropía

La entropía es una medida del desorden o irregularidad en un sistema. En termodinámica, describe cómo se distribuye la energía en un sistema y cómo esa distribución afecta la capacidad del sistema para realizar trabajo. El concepto de entropía está estrechamente ligado a la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta con el tiempo.

Consideremos un ejemplo simple: el hielo derritiéndose en agua. Inicialmente, las moléculas de agua en el hielo están dispuestas en una forma estructurada y cristalina con bajo desorden. A medida que el hielo se derrite, la estructura se descompone y las moléculas de agua se mueven con más libertad, aumentando la entropía del sistema.

Expresión matemática de la entropía

La expresión matemática para el cambio de entropía, ΔS, puede definirse como:

ΔS = Q/T

donde Q es el calor agregado al sistema y T es la temperatura absoluta. Esta ecuación indica que el cambio de entropía es directamente proporcional al calor intercambiado e inversamente proporcional a la temperatura.

OrdenDesorden

El diagrama muestra la progresión de orden a desorden, lo que simboliza el concepto de entropía en un sistema. A medida que el sistema progresa de izquierda a derecha, su entropía aumenta.

Entendiendo la energía libre

La energía libre es un concepto importante para determinar la espontaneidad de un proceso. Combina la entalpía, la entropía y la temperatura para predecir si una reacción ocurrirá sin intervención externa. Los dos tipos principales de energía libre son la energía libre de Gibbs y la energía libre de Helmholtz.

Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs (G) proporciona información sobre reacciones a presión constante. El cambio en energía libre de Gibbs, ΔG, se da por:

ΔG = ΔH - TΔS

donde ΔH es el cambio en entalpía, T es la temperatura, y ΔS es el cambio en entropía. Un valor negativo de ΔG indica un proceso espontáneo, mientras que un valor positivo indica no espontáneo.

Ejemplo de energía libre de Gibbs

Consideremos el proceso de evaporación del agua. A una temperatura dada, podemos calcular la energía libre de Gibbs para la transición de fase. Si ΔG es negativo, entonces el agua se evaporará espontáneamente bajo esas condiciones.

Energía libre de Helmholtz

La energía libre de Helmholtz (A) se utiliza para sistemas con volumen constante. Se expresa como:

ΔA = ΔU - TΔS

Aquí, ΔU es el cambio en la energía interna. Aunque menos común que ΔG en química, la energía libre de Helmholtz puede ser importante para algunas aplicaciones en física.

Relación entre la entropía y la energía libre

La entropía y la energía libre están interconectadas a través de su papel colectivo en la determinación de la probabilidad y dirección de procesos físicos y químicos. Un entendimiento básico es necesario para predecir resultados de reacciones y usar energía de manera eficiente.

Como se muestra en las primeras ecuaciones, ΔG y ΔA integran la entropía para tener en cuenta la dispersión y distribución de energía térmica dentro de un sistema. Esta relación enfatiza que incluso si la energía de un sistema se reduce (entálpicamente favorable), también se debe considerar el desorden para entender el cuadro completo de la espontaneidad del proceso.

Ejemplo de entropía y energía libre en una reacción química

Consideremos la combustión de metano:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

En esta reacción exotérmica, se libera calor (ΔH negativo) y la entropía del sistema aumenta (ΔS positivo) porque los productos están en un estado gaseoso más desordenado. El efecto combinado de la liberación de energía y el aumento del desorden aseguran que ΔG sea negativo, por lo que la reacción es espontánea.

ReactantesProductos

La ilustración anterior muestra la transformación de reactantes a productos en la combustión de metano. Un aumento en la entropía y una disminución en la energía libre de Gibbs impulsan la reacción hacia adelante.

Conclusión

La entropía y la energía libre son fundamentales en el campo de la termodinámica dentro de la química física. La entropía proporciona una comprensión del desorden y la aleatoriedad, mientras que la energía libre predice la espontaneidad de los procesos. Ambos conceptos son esenciales en el estudio y aplicación de reacciones químicas y transformaciones energéticas. Al descifrar estos principios, los científicos e ingenieros pueden diseñar procesos que optimicen el uso de energía y la sostenibilidad.


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Entropía y energía libre

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