Espontaneidad de las reacciones químicas

La entropía es la medida de la cantidad de aleatoriedad o desorden en un sistema. La entropía es una propiedad extensiva. Depende de la cantidad de materia que contenga una muestra. La entropía se expresa mediante el símbolo S. Se mide en JK⁻¹o kgm⁻²s²K⁻¹. La entropía es una función de estado. Depende del estado del sistema más que del camino tomado.

Tomemos como ejemplo el derretimiento del hielo para comprender la entropía. Sabemos que las moléculas de agua en el hielo están en estado ordenado. Cuando el hielo se derrite y se convierte en agua líquida, las moléculas se desordenan. O podemos decir que la entropía de las moléculas de agua aumenta.

La energía libre de Gibbs es la energía disponible en un sistema que puede utilizarse para realizar algún trabajo. La energía de Gibbs se utiliza para medir la cantidad máxima de trabajo realizado en un sistema termodinámico a temperatura y presión constantes. Se utiliza para determinar la espontaneidad de una reacción química. Por ejemplo, si la energía de Gibbs de los reactivos es mayor que la de los productos, entonces la reacción se desarrollará espontáneamente. Si la energía de Gibbs de los productos es mayor que la de los reactivos, entonces la reacción no será espontánea.

La energía de Gibbs es una función de estado. Se define en términos de otras tres funciones estatales. Estas funciones de estado son la temperatura, la entropía y la entalpía. Estas funciones estatales son los factores impulsores detrás de las reacciones químicas. La energía de Gibbs, al ser una función de estado, no depende del camino. Depende del estado del sistema.

La energía de Gibbs es igual a la suma de la entalpía menos el producto de la temperatura por la entropía. Por lo tanto, el cambio en la energía de Gibbs es igual a la suma del cambio en entalpía y el producto de la temperatura por el cambio en entropía. Debido a que la temperatura se mantiene constante, no calculamos el cambio de temperatura.

Antes de discutir la espontaneidad de una reacción química, entendamos primero los términos cambio de entalpía y cambio de entropía. Como sabemos, la entalpía es el contenido de calor del sistema. Si el cambio de entalpía es positivo entonces la reacción es endotérmica. Esto significa que se debe agregar calor al sistema para que se lleve a cabo la reacción. Si el cambio de entalpía es negativo, entonces la reacción es exotérmica. Esto significa que la reacción libera calor.

Como sabemos, la entropía es la medida del desorden en un sistema. Si el cambio de entropía es positivo o mayor que cero, esto significa que el sistema ha pasado del estado ordenado al estado desordenado. Si el cambio en la entropía es negativo o menor que cero, esto indica que el sistema ha pasado de un estado desordenado a un estado ordenado.

Si la energía libre de Gibbs es positiva, la reacción no es espontánea. Si es negativo la reacción es espontánea. Analicemos ahora cómo se relacionan la entropía, la entalpía y la energía libre de Gibbs para determinar la espontaneidad de una reacción química. Si el cambio en entalpía es negativo o menor que cero y el cambio en entropía es positivo o mayor que cero, entonces el valor de la energía de Gibbs será negativo o menor que cero. Un valor negativo de la energía libre de Gibbs indica que la reacción será espontánea.

Por ejemplo, cuando la madera se quema, libera calor al ambiente. La reacción es exotérmica. El cambio de entalpía en este caso es menor que cero. Además, el sistema está pasando de un estado ordenado, que es madera, a un estado desordenado, que es ceniza. La aleatoriedad en el sistema aumenta. El cambio de entropía es positivo en este caso. Por lo tanto, el valor de la energía de Gibbs será menor que cero. La quema de madera es una reacción espontánea.

Si el cambio en la energía libre de Gibbs es positivo o mayor que cero, la reacción no será espontánea. Cuando la reacción es endotérmica y la entropía es decreciente o menor que cero, el cambio en la energía libre de Gibbs será positivo o mayor que cero. La reacción no será espontánea porque tenemos que proporcionar calor al sistema para moverlo de un estado menos ordenado a un estado más ordenado.

¿Qué pasa si tenemos una reacción particular en la que el cambio de entalpía es positivo y el cambio de entropía también es positivo? En palabras simples, la reacción es endotérmica y pasa de un estado ordenado a un estado desordenado. ¿La energía de Gibbs será negativa o positiva? ¿O podemos decir? ¿La reacción será espontánea o no espontánea? En tales casos, la temperatura determinará la espontaneidad de la reacción.

Si el cambio en entalpía y el cambio en entropía son ambos positivos, el valor de la energía de Gibbs será negativo a mayor temperatura. Será positivo a menor temperatura. Podemos decir que en tal caso la reacción será espontánea a mayor temperatura. No será espontáneo a temperaturas más bajas. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua líquida, el cambio de entalpía es positivo. La reacción es endotérmica. La entropía también es positiva en este caso. Esto se debe a que el hielo en estado ordenado se está convirtiendo en agua líquida, que está en estado menos ordenado.

Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua líquida, el cambio de entalpía es positivo. La reacción es endotérmica. La entropía también es positiva en este caso. Esto se debe a que el hielo en estado ordenado se está convirtiendo en agua líquida, que está en estado menos ordenado. A temperaturas más bajas, el hielo no se derretirá. La reacción no será espontánea. A temperaturas más altas, el hielo se derretirá. La reacción será espontánea.

¿Qué pasa si el cambio en entalpía y el cambio en entropía son ambos negativos? ¿La reacción será espontánea o no espontánea?La temperatura determinará la espontaneidad en este caso. Si el cambio en entalpía y el cambio en entropía son ambos negativos, el valor de la energía de Gibbs será positivo a mayor temperatura. Será negativo a menor temperatura. Podemos decir que, en tal caso, la reacción será espontánea a menor temperatura. No será espontáneo a temperaturas más altas.