Termodinámica de la formación de compuestos

Los compuestos se producen partiendo de los elementos a través de reacciones químicas. Así, por ejemplo, la sal de mesa o cloruro de sodio, se puede formar por la combinación del metal reactivo sodio con un gas verde tóxico, el cloro:

2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s)

Debido a que esta reacción tiene lugar sin la necesidad de “ayuda” externa, se dice que es una reacción espontánea (aunque el hecho de ser espontánea no da indicio alguno respecto a qué tan rápida o lenta pueda ser la reacción). La reacción inversa, la descomposición del clloruro de sodio, es un proceso no espontáneo, lo cual está muy bien ya que no es lo ideal que nuestra sal de mesa comience a emitir nubes tóxicas de cloruro gaseoso en nuestro comedor. Una forma de recuperar el sodio metálico y el cloro gaseoso consiste en hacer pasar una corriente eléctrica u otra fuente de energía externa, a través del cloruro de sodio fundido:

2NaCl (l) → 2 Na (l) + Cl2 (g)

El estudio de las causas de las reacciones químicas es una rama de la termodinámica. Que una reacción sea factible depende de dos factores importantes: la entalpía y la entropía.

Entalpía:

La entalpía suele venir definida como el contenido de calor que posea una sustancia. Cuando la entropía de los productos de una reacción química es menor que la de los reactivos, la reacción liberará calor hacia el entorno; es decir, el proceso es de tipo exotérmico. Si la entalpía de los productos es mayor que la de los reactivos, entonces se toma energía del entorno y se dice que la reacción es de tipo endotérmica. La diferencia existente entre la entalpía de los productos y la entalpía de los reactivos se conoce como cambio de entalpía, y se representa como, ΔH.

Además de estos aspectos, es importante mencionar que la entalpía también se puede entender como la energía total de un sistema. Es una función de estado, lo que significa que su valor solo depende del estado actual del sistema y no del camino que tomó para llegar a ese estado. Esta es una característica crucial en termodinámica, ya que permite calcular cambios en la entalpía para cualquier proceso de manera sencilla.

Entropía:

El término entropía suele encontrarse relacionado con el grado de desorden existente en una sustancia (aunque en la realidad el concepto de entropía sea bastante más complejo que lo dicho). Así, por ejemplo, la fase de tipo sólida posee una entropía menor que la fase líquida, mientras que la fase gaseosa, en la cual existen movimientos al azar, tiene una entropía mucho más grande que las anteriores mencionadas. La entropía se simboliza con la letra S, y el cambio de entropía se indica así mediante el símbolo ΔS.

La entropía también se puede entender como una medida de la cantidad de energía en un sistema que no se puede utilizar para realizar trabajo. En otras palabras, es una medida de la energía «desperdiciada» en un sistema. Este concepto es fundamental en la segunda ley de la termodinámica, que establece que en cualquier proceso natural, la entropía de un sistema aislado siempre aumentará.

Esta magnitud de tipo físico nos permite calcular la cantidad de energía en el proceso que no se transforma o utiliza para provocar trabajo. Se dice que es una magnitud de tipo extensivo, es decir, depende de la cantidad de sustancia y del sistema.

Además de la entalpía y la entropía, otro factor importante en la termodinámica de las reacciones químicas es la energía libre de Gibbs. Esta es una medida de la energía máxima que puede ser convertida en trabajo en un sistema a temperatura y presión constantes. Se calcula a partir de la entalpía y la entropía, y se representa con la letra G. Una reacción será espontánea si la energía libre de Gibbs es negativa.