Entalpía, entropía y energía libre de Gibbs

Introducción a la termodinámica

En nuestro viaje a través de la química, es importante comprender los cambios de energía que ocurren durante las reacciones químicas. La termodinámica es la rama de la química física que se ocupa de estos cambios de energía. Los tres conceptos fundamentales en termodinámica son la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs. Estos parámetros ayudan a predecir si una reacción será espontánea o no y cuán eficiente en términos de energía será.

Entalpía (H)

La entalpía es una medida de la energía total de un sistema termodinámico, incluyendo la energía interna y la energía requerida para desplazarlo a su entorno. A menudo se piensa en ella como el "contenido de calor" de un sistema. La entalpía, representada por H, es importante en la termodinámica química.

Comprensión de la entalpía

En su forma más simple, el cambio en entalpía (ΔH) de un sistema puede representarse como el cambio cuando una reacción ocurre a presión constante. El cambio a menudo se asocia con el calor absorbido o liberado:

ΔH = H_{productos} - H_{reactivos}

Si ΔH es negativo, la reacción es exotérmica, lo que significa que libera calor. Por el contrario, si ΔH es positivo, la reacción es endotérmica y absorbe calor.

Ejemplos de cambio de entalpía

Consideremos una reacción simple: la combustión del metano:

CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H_2O(l)

El ΔH de esta reacción es aproximadamente -890 kJ/mol, lo que significa que libera 890 kJ de energía por mol de metano quemado. Esta reacción exotérmica es la razón por la cual el metano es una fuente de combustible tan eficaz.

Entropía (S)

La entropía es una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema. Proporciona información sobre el número de configuraciones que un sistema puede tener. A diferencia de la entalpía, la entropía tiene en cuenta no solo la energía, sino también la distribución de esa energía.

Comprensión de la entropía

La entropía, denotada por S, a menudo puede asociarse con el grado de desorden o aleatoriedad:

ΔS = S_{productos} - S_{reactivos}

Un cambio positivo en la entropía (ΔS > 0) indica un aumento en el desorden, mientras que un cambio negativo (ΔS < 0) indica una disminución.

Ejemplo visual de entropía

La caja de la izquierda representa un sistema más ordenado en el que las partículas están más juntas. La caja de la derecha representa un sistema desordenado en el que las partículas están dispersas, indicando un aumento en la entropía.

Ejemplos de cambios de entropía

Considere la disolución de sal en agua:

NaCl(s) → Na^+(aq) + Cl^-(aq)

A medida que la sal sólida se disuelve, la estructura ordenada del sólido cristalino se descompone en iones más aleatoriamente móviles en solución, resultando en un aumento de la entropía.

Energía libre de Gibbs (G)

La energía libre de Gibbs es un potencial termodinámico que evalúa la espontaneidad de un proceso. Es un equilibrio entre los cambios de entalpía y entropía. La energía libre de Gibbs está representada por G

Fórmula de la energía libre de Gibbs

La ecuación más importante relacionada con la energía libre de Gibbs es:

ΔG = ΔH - TΔS

Aquí, T es la temperatura en Kelvin.

Si el cambio de energía libre de Gibbs (ΔG) para una reacción es negativo, entonces la reacción es espontánea. Si ΔG es positivo, entonces la reacción es no espontánea.

Ejemplos de cálculos de energía libre de Gibbs

Consideremos nuevamente la combustión del metano:

CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H_2O(l)

Bajo condiciones estándar, asumamos:

• ΔH = -890 kJ/mol
• ΔS = +0.242 kJ/mol·K
• T = 298 K (temperatura ambiente)

Calcule ΔG:

ΔG = -890 kJ - (298 K) × 0.242 kJ/mol·K
ΔG = -890 kJ - 72 kJ
ΔG = -962 kJ/mol

Con un ΔG negativo grande, la combustión es altamente espontánea.

Visualización de la energía libre de Gibbs

Aquí, el círculo azul representa los reactivos y el círculo rojo representa los productos. La curva descendente en verde indica una reacción con un ΔG negativo, lo que indica espontaneidad.

Combinación de conceptos

Al combinar entalpía, entropía y energía libre de Gibbs, los químicos pueden determinar la viabilidad y espontaneidad de las reacciones. Un ΔG negativo sugiere que la reacción puede proceder sin aporte de energía, mientras que la comprensión de ΔH y ΔS proporciona información adicional sobre la naturaleza de la reacción, tales como transiciones exotérmicas vs endotérmicas o de orden/desorden.

Conclusión

En resumen, la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs son conceptos importantes para comprender la termodinámica en la química. Nos permiten predecir qué reacciones son propensas a ocurrir y cómo se transforma la energía en los procesos químicos. Estos parámetros se analizan constantemente en laboratorios e industrias para optimizar reacciones químicas y la eficiencia energética.

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