La energía libre de Gibbs y la espontaneidad

Puntos más importantes

• La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo siempre aumenta para un proceso espontáneo: $\Delta \text {S}_{\text{universo}}=\Delta \text {S}_{\text{sistema}} + \Delta \text {S}_{\text{alrededores}} > 0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, u, n, i, v, e, r, s, o, end text, end subscript, equals, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, plus, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, a, l, r, e, d, e, d, o, r, e, s, end text, end subscript, is greater than, 0

• A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs se define como $\Delta \text G = \Delta \text H - \text{T}\Delta \text S$delta, start text, G, end text, equals, delta, start text, H, end text, minus, start text, T, end text, delta, start text, S, end text.
• Cuando $\Delta \text G$delta, start text, G, end text es negativo, un proceso ocurrirá de manera espontánea, y se lo conoce como exergónico.
• La espontaneidad de un proceso puede depender de la temperatura.

Procesos espontéaneos

La energía libre de Gibbs y la espontaneidad

• Cuando $\Delta \text G < 0$delta, start text, G, end text, is less than, 0, el proceso es exergónico y ocurrirá espontáneamente en sentido directo para formar más productos.
• Cuando $\Delta \text G>0$delta, start text, G, end text, is greater than, 0, el proceso es endergónico y no es espontáneo en el sentido directo. Por el contrario, ocurrirá espontáneamente en el sentido inverso para producir más reactivos.
• Cuando $\Delta \text G = 0$delta, start text, G, end text, equals, 0, el sistema está en equilibrio y las concentraciones de productos y reactivos permanecerán constantes.

  [¿Qué es equilibrio?]

Calcular el cambio de energía libre de Gibbs

• Estimación de $\Delta \text H_{\text{reacción}}$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, e, a, c, c, i, o, with, \', on top, n, end text, end subscript usando entalpías de enlace

• Cálculo de $\Delta \text H$delta, start text, H, end text mediante los calores de formación estándar, $\Delta_f \text H^\circ$delta, start subscript, f, end subscript, start text, H, end text, degrees.
• Cálculo de $\Delta \text H$delta, start text, H, end text y $\Delta \text S$delta, start text, S, end text usando tablas de valores estándar.

¿Cuándo $\Delta \text G$delta, start text, G, end text es negativo?

• el cambio de entalpía $\Delta \text H_ {\text{sistema}}$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript
• la temperatura $\text T$start text, T, end text
• el cambio de entalpía $\Delta \text H_ {\text{sistema}}$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript

• Cuando el proceso es exotérmico ($\Delta \text H_{\text{sistema}}<0$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0), y la entropía del sistema aumenta ($\Delta \text S_{\text{sistema}}>0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0), el signo de $\Delta \text G_{\text{sistema}}$delta, start text, G, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript es negativo para toda temperatura. Entonces, el proceso es siempre espontáneo.
• Cuando el proceso es endotérmico, $\Delta \text H_{\text{sistema}}>0$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0, y la entropía del sistema decrece, $\Delta \text S_{\text{sistema}}<0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0, el signo de $\Delta \text G$delta, start text, G, end text es positivo para toda temperatura. Entonces, el proceso nunca es espontáneo.

• Las reacciones exotérmicas ($\Delta \text H_\text{sistema} < 0$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0) en las que disminuye la entropía del sistema ($\Delta \text S_\text{sistema} < 0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is less than, 0) son espontáneas a bajas temperaturas.
• Las reacciones endotérmicas ($\Delta \text H_\text{sistema}>0$delta, start text, H, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0) que incrementan la entropía del sistema ($\Delta \text S_\text{sistema}>0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, is greater than, 0) son espontáneas a altas temperaturas.

Ejemplo $1$1: calcular $\Delta \text G$delta, start text, G, end text para la fusión del hielo.

Otras aplicaciones de $\Delta \text G$delta, start text, G, end text: un anticipo

• En equilibrio químico, podemos relacionar $\Delta \text G$delta, start text, G, end text con la constante de equilibrio, $\text K$start text, K, end text.
• En electroquímica $\Delta \text G$delta, start text, G, end text se relaciona con el voltaje de la célula, $\text E_\text{célula}$start text, E, end text, start subscript, start text, c, e, with, \', on top, l, u, l, a, end text, end subscript.

Resumen

• La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía del universo siempre aumenta para un proceso espontáneo: $\Delta \text {S}_{\text{universo}}=\Delta \text {S}_{\text{sistema}} + \Delta \text {S}_{\text{alrededores}} > 0$delta, start text, S, end text, start subscript, start text, u, n, i, v, e, r, s, o, end text, end subscript, equals, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, s, i, s, t, e, m, a, end text, end subscript, plus, delta, start text, S, end text, start subscript, start text, a, l, r, e, d, e, d, o, r, e, s, end text, end subscript, is greater than, 0

• A temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs se define como $\Delta \text G = \Delta \text H - \text{T}\Delta \text S$delta, start text, G, end text, equals, delta, start text, H, end text, minus, start text, T, end text, delta, start text, S, end text.
• Cuando $\Delta \text G$delta, start text, G, end text es negativo, el proceso ocurrirá espontáneamente y se le llama proceso exergónico.
• Dependiendo de los signos de $\Delta \text H$delta, start text, H, end text y $\Delta \text S$delta, start text, S, end text, la espontaneidad de un proceso puede cambiar a diferentes temperaturas.

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