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Energía libre de Gibbs

Publicado por Ángeles Méndez

Una forma de saber si una reacción química es espontánea o no, siguiendo lo que nos cuenta el segundo principio, sería calculando la variación de entropía que presenta un sistema y la variación de entropía del entorno que la acompaña, corroborando que la suma de ambas es mayor de cero.

ΔS (sistema) + ΔS (entorno) > 0

El cambio de entropía del entorno es un proceso de tipo reversible e isotermo, es decir, con temperatura constante, donde tanto el entorno como el sistema tienen igual temperatura.

ΔS (entorno) = Q ( entorno) / T ; de donde Q ( entorno) es la energía a modo de calor que se gana o se pierde en el entorno, y T, es la temperatura absoluta, que se cree constante. Cuando la reacción se lleva a cabo a presión constante, la energía que se transfiere al entorno a modo de calor es idéntica y de signo opuesto a la variación de la entalpía de la reacción, es decir, Q ( entorno) = – ΔH ( sistema), lo que lleva a implicar que:

ΔS ( entorno) = – ΔH ( sistema) / T

El cambio o variación total de entropía del universo es:

ΔS (universo) = ΔS (sistema) – ΔH ( sistema) / T

De dicho modo, se hace posible calcular el cambio de entropía que sucede en el universo partiendo, solamente, de las propiedades que presenta el sistema ΔH y ΔS, por lo cual se puede sustituir la palabra “ sistema”.

Si multiplicamos por T, y cambiamos el signo de cada uno de los términos de la anterior ecuación, llegamos a:

-T ΔS ( universo) = ΔH – T ΔS
-T ΔS (universo) = ( Hf –Hi) – ( TSf – Tsi)

Si agrupamos los términos adecuados a cada estado nos queda que:

-T ΔS (universo) = ( Hf – TSf) – ( Hi – TSi)

La expresión H-TS, se caracteriza con la letra G, que representa una función de estado nueva conocida como energía libre de Gibbs o también energía libre:

-T ΔS (universo) = Gf – Gi = ΔG

En todos los procesos que son espontáneos, donde la entropía del universo crece, ΔS (universo) >0, se verá cumplido que ΔG será o deberá ser menor que cero, ΔG <0. Debido a esto, podemos conocer la espontaneidad que presenta un proceso, tanto físico como químico, determinando el cambio de energía libre de Gibbs en dicho procedimiento, usando solamente datos del sistema, como pueden ser ΔH, ΔS y la temperatura. Estos datos los relacionaremos a través de la expresión: ΔG = ΔH - T ΔS De hecho, cualquier reacción que sea exotérmica (ΔH < 0), donde hay un crecimiento de la entropía (ΔS > 0), será espontánea, pues se cumple que ΔH – T ΔS < 0 y ΔG, es siempre menor que cero. En el caso de una reacción que sea endotérmica (ΔH > 0), que se encuentra acompañada de una bajada de la entropía (ΔS < 0), no será nunca espontánea, pues ΔH – T ΔS > 0, y ΔG siempre son mayores que cero.

Podemos entonces decir que:

-Cuando ΔG < 0, tendremos una reacción espontánea. -Cuando ΔG > 0, tendremos una reacción no espontánea; pero sí lo será cuando sea el proceso contrario.
-Cuando ΔG = 0, tendremos una reacción que ha llegado al equilibrio.

Si realizamos el trabajo en unas condiciones estándar de presión y temperatura ( 25ºC y 1 atm), el cambio o variación de la energía libre de Gibbs se indicará con un superíndice: ΔGº.

Todo proceso que ocurra de manera espontánea, puede usarse para hacer una trabajo. El cambio de energía libre del procedimiento, ΔG, es igual al trabajo útil, es decir, la mayor cantidad de trabajo que puede llegar a conseguirse de dicho proceso. De igual manera, un proceso que no sea espontáneo podrá realizarse si se le da el trabajo suficiente; esto ocurre por ejemplo en los procesos de tipo electrolíticos.

La energía libre de Gibbs es una función de estado, por lo cual se hace posible conocer o calcular la variación de energía de una reacción usando los valores de dicha energía estándar de formación de las diferentes sustancias partícipes. Para esto, y a siguiendo un convenio, se le da el valor cero a la energía libre de los elementos que se encuentran en condiciones estándar, ΔGºf = 0, de igual forma que lo hacemos con las entalpías de formación. La energía libre estándar de formación, ΔGºf, que tiene un determinado compuesto, es el cambio de energía libre de formación de un mol de compuesto, partiendo de los elementos participantes, todos ellos en condiciones estándar.

De este modo, por ejemplo, en la reacción de formación en condiciones estándar del CO2 (g) tenemos que:

C (grafito) + O2 (g) → CO2 (g) , ΔGºf ( CO2) = – 394,4 kJ

La variación de energía libre en este ejemplo coincide con la energía libre estándar de formación del dióxido de carbono gaseoso, que será: ΔGºf [ CO2 (g)]= – 394,4 kJ / mol, porque la energía libre de los distintos elementos es igual a cero.

Ls energía libre estándar de reacción, ΔGº, es el cambio de energía libre de una reacción química, que ocurre cuando los reactivos, que se encuentran en condiciones estándar, cambian a productos en condiciones estándar.

Debido a que la energía libre es una función de estado, podemos usar la ley de Hess y, para una determinada reacción, el valor del cambio de su energía libre se puede conocer, partiendo de la energía libre estándar de formación de cada una de las sustancias que participan en la reacción, utilizando la siguiente reacción:

ΔGº = Σnp ΔGºf ( productos) – Σnr ΔGºf ( reactivos)

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