¿Se puede predecir el comportamiento de una reacción?

La respuesta es sí, con el término energía libre de Gibbs, pero ¿qué significa realmente este término?

Se define como una función de estado que nos proporciona información sobre si una reacción es espontánea o no o si está en equilibrio.

La energía libre de Gibbs se expresa como: 

G = H – TS , siendo equivalente la expresión G=U+PV-TS [1]

*La entalpía es el calor liberado o absorbido por el sistema a presión constante. Si la variación de entalpía es negativa, el proceso es exotérmico (se libera calor) mientras que si la variación de entalpía es positiva, el proceso es endotérmico (se absorbe calor). Se puede definir como U+PV , ya que la entalpía se define como la energía interna  más el trabajo producido por el sistema. Hay que tener en cuenta que si es un trabajo de expansión el sistema va a ganar calor , y si es de compresión perderá.*[2]

*La entropía es el grado de desorden de un sistema, es la tendencia de pasar de un estado de orden a uno de desorden. Si la variación de entropía es menor que 0, el desorden disminuye, del mismo modo, si la variación de entropía es mayor que 0, el desorden va aumentando.El desorden aumenta de estado sólido a líquido y de líquido a gas, por tanto en reacciones en donde por ejemplo aumente el número de moles gaseosos de reactivos a productos, se puede determinar cualitativamente que la entropía es positiva *[3]

*La energía interna (U) de un sistema será el resultado de la suma de la energía cinética  de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e intramolecular de la energía de enlace.*[4]

Aunque la expresión se utiliza en forma de cambio en la energía libre de Gibbs a temperatura y presión constantes:

ΔG = ΔH – TΔS

Esta ecuación relaciona el calor intercambiado con el desorden alcanzado en el sistema. Las unidades son J/mol.

Si ΔG es negativo la reacción será espontánea, por el contrario, si ΔG es positivo la reacción no será espontánea (necesitan de catalizadores o aporte de energía para el desarrollo completo de la reacción), por último, si ΔG = 0 la reacción estará en equilibrio.

 

      

Figura 1. Tabla dependencia de ΔG con la temperatura.[5]

Como podemos observar, los procesos exotérmicos (entalpía negativa) estarán más favorecidos que los procesos endotérmicos(entalpía positiva). En procesos donde la entropía sea negativa,solo podrá ser espontáneo el proceso si es exotérmico y a bajas temperaturas. En procesos donde la entropía sea positiva si la reacción es exotérmica siempre será espontánea y si es endotérmica  será espontánea a altas temperaturas.[6]
 

 Espontaneidad de las reacciones

Una reacción es espontánea siempre que suceda sin ayuda de energía externa o catalizadores.

¿Qué aspectos se deben de tener en cuenta en una reacción espontánea?

-     - Son termodinámicamente irreversibles

-Hay que resaltar que un proceso espontáneo puede ocurrir rápida o lentamente, ya que la espontaneidad no se relaciona con la cinética. 

 Ejemplos de procesos espontáneos 

Un ejemplo de proceso espontáneo es el paso de diamante a grafito. Resulta sorprendente el hecho de que un mineral tan costoso y usado en joyería se transforme en grafito que se encuentra en la mina de los lápices y es un material barato. ¿Pero es realmente rápida la reacción?                                                   

$\text{ C}(s,\text{diamante})\to \text{C}(s,\text{grafito})$

 

             Imagen 1: Diamante y grafito[7]

 

$Es\; un\; proceso\; espontáneo,\; ya\; que\; el\; sistema\; evoluciona\; a\; la\; forma\; más\; estable\; del\; carbono(grafito)\; ,$ pero aún asi es un proceso demasiado lento que puede durar millones de años.[7]

Otro ejemplo de reacción espontánea sería:

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂

Esta reacción es espontánea, al ponerse en contacto los dos reactivos se empieza a formar cloruro de cinc y se desprende hidrógeno sin necesidad de realizar alguna otra actividad. 

La expansión de un gas frente al vacío también sería un ejemplo perfecto de proceso espontánea.

En estos procesos espontáneos, sistema va a evolucionar hasta alcanza el equilibrio y por lo tanto, aunque pase el tiempo, el sistema no evolucionará en el sentido contrario.[8]

Video 1: Reacción espontánea de Zn con HCl[9]
 

 

 

 Referencias 

-[1]Término energía libre de Gibbs: https://www.portaleducativo.net/tercero-medio/25/energia-libre-de-gibbs  (Fecha de acceso 19/11 /2021)

-[2]Término entalpía: https://www.quimica.es/enciclopedia/Entalp%C3%ADa.html  (Fecha de Acceso 20/11/2021)

-[3]Término entropía: https://www.areaciencias.com/fisica/entropia/ (Fecha de acceso 20/11/2021)

-[4] Término energía interna:  https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_interna (Fecha de acceso 20/11/2021)

-[5]Figura1:https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/thermodynamics-ap/gibbs-free-energy-tutorial-ap/a/gibbs-free-energy-and-spontaneity  (Fecha de acesso 21/11/2021)

-[6]Criterios de espontaneidad: https://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_espont%C3%A1ne (Fecha acceso 21/11/2021)

-[7]Imagen 1 y cinética de la reacción del paso de diamante al grafito  :https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/thermodynamics-ap/gibbs-free-energy-tutorial-ap/a/gibbs-free-energy-and-spontaneity  (Fecha de acesso 21/11/2021)

[8] Ejemplo reacción espontánea zinc y expansión de un gas: http://www.laquimicafacil.es/FQ1/Termo/termoquimica/espontaneidad.html  (Fecha de acesso 21/11/2021)

[9] Vídeo 1 :https://www.youtube.com/watch?v=-LSFUF1tj0s ab_channel=Cienciabit%3ACienciayTecnolog%C3%ADa (Fecha de acesso 21/11/2021)

Autores: Irene Valle Páez y Francisco Pérez Hidalgo  4º de química