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- Este artículo trata de los cambios de entropía en química.
- Comenzaremos con ladefinición de entropía (S) y cambio de entropía(∆S).
- Luego exploraremos las características de los cambios de entropía, incluyendo cómo cambia la entropía en reacciones que implican cambio de estado, cambio de temperatura y cambio en el número de moles de gas.
- Después, estudiaremos los cambios de entropía en procesos irreversibles (y reversibles), y profundizaremos en los cambios de entropía de los gases ideales.
Cambio de entropía: definición y significado
Aquí discutiremos los conceptos básicos de los cambios de entropía. Sin embargo, antes de entrar a discutir qué son los cambios de entropía, debemos definir la entropía propiamente dicha.
Entropía
¿Qué ocurre cuando se funde un sólido? Su temperatura aumenta, gracias a un cambio de entalpía. Pero también cambian su estructura y la disposición de las moléculas. Los átomos del sólido se mantienen unidos mucho más apretados que los del líquido, que en cambio pueden moverse libremente. Se podría decir que el sólido está relativamente ordenado, mientras que el líquido está extremadamente desordenado. Esto es un ejemplo de entropía.
Laentropía (S) es una medida del desorden en un sistema termodinámico. También se define como el número de formas posibles en que las partículas y su energía pueden distribuirse en un sistema. Se mide en J K-1 mol-1.
Eldesorden puede ser una idea poco familiar. Otras palabras utilizadas para describir el concepto son aleatoriedad, incertidumbre y, sobre todo, caos. Aquí tienes dos ejemplos de entropía que te ayudarán a entenderla un poco mejor.
Volvamos a las dos especies de antes: un sólido y un líquido. Como sabemos, las moléculas o partículas del sólido están dispuestas en filas ordenadas, mientras que las del líquido se mueven al azar. Podemos ver cómo el sólido tiene mucho más orden que el líquido. A la inversa, se podría decir que el líquido tiene más desorden que el sólido. Esto se cuantifica y describe mediante la entropía: el líquido tiene más entropía que el sólido.
Fig. 1 - Diagrama que muestra la disposición de las partículas en un sólido y un líquido.StudySmarter Originals
Otro contexto en el que se puede visualizar la entropía es en determinadas reacciones químicas, en las que cambia el número de moles en cada lado de la reacción. Si hay más moléculas presentes, aumenta el desorden del sistema, ya que hay más formas en que las moléculas pueden disponerse. Por tanto, hay una mayor entropía.
Una diferencia clave entre la entropía y otras constantes termodinámicas, como la entalpía, es que es posible conocer el valor absoluto de la entropía de un sistema. La entropía absoluta es simplemente la entropía de una especie comparada con su entropía a 0 K. En cambio, la entalpía absoluta no puede medirse directamente. Esto se debe a que la entalpía implica componentes que aún no comprendemos completamente y que no podemos medir con precisión.
Entropía estándar
Empecemos ahora a pensar en la entropía estándar como concepto antes de pasar a los cambios de entropía. Podemos definir la entropía estándar como sigue
Entropíaestándar es la entropía de una sustancia pura en condiciones estándar de presión y temperatura. Normalmente, definimos la entropía molar estándar, que es la entropía de un mol de sustancia en condiciones estándar.
Para una introducción más profunda a la idea de entropía, consulta el artículo Entropía. También puedes aprender sobre condiciones estándar en Cambios de entalpía.
Cambio de entropía
Veamos ahora el cambio de entropía.
El cambio deentropía(∆S) es el cambio en el desorden (entropía) dentro de un sistema como resultado de un proceso químico o físico. Al igual que la entropía, también se mide en J K-1 mol-1.
Ciertos tipos de reacciones van acompañadas de cambios de entropía específicos. Veamos un par de ejemplos para que comprendas cómo puede cambiar la entropía durante una reacción química, observando las características del cambio de entropía. Esto te ayudará a predecir el cambio de entropía con sólo mirar una ecuación química.
Características del cambio de entropía
A continuación, describiremos algunos fenómenos estándar que se producen en relación con los cambios de entropía durante diferentes reacciones.
Cambio de estado
En primer lugar, piensa en las reacciones químicas que implican un cambio de estadode la materia. Las reacciones suelenaumentar o disminuir la ent ropía en función del cambio de estado.
Observa la conversión del agua de su estado sólido (un copo de nieve, por ejemplo) a su estado líquido (un charco de agua derretida):
$$H_2O(s) \rightarrow H_2O(l)$$
En la reacción anterior, pasas de un sólido a un líquido. El sólido tiene una organización fija de moléculas que le da su forma, mientras que en un líquido, las moléculas pueden moverse de forma libre y desordenada. En este ejemplo, la entropía ha aumentado. Si el líquido se convirtiera en gas, las moléculas podrían moverse aún más libremente y, por tanto, la entropía aumentaría aún más. Puedes echar un vistazo a la siguiente figura para tener una comprensión más visual de este tema:
Fig. 2 - Imagen que muestra el cambio de estado del hielo al agua. Aquí, la entropía aumenta.StudySmarter Originals
Podemos concluir que la entropía de los distintos estados de la materia aumenta al pasar del sólido al líquido y al gas. El aumento de la entropía se debe al desorden creciente entre las moléculas de los distintos estados:
- Los sólidos tienen la entropía más baja porque sus partículas se mantienen en una disposición ordenada.
- Los líquidos suelen tener mayor entropía porque sus partículas pueden moverse de forma más aleatoria.
- Los gases tienen la entropía más alta de los tres, por un margen significativo, porque sus partículas son libres de moverse como quieran, de forma totalmente desordenada...
Todos los cambios físicos de estado se caracterizan por cambios de entropía positivos (un aumento de la entropía) o negativos (una disminución de la entropía). Puedes ver los cambios de entropía de los procesos físicos en la tabla siguiente:
| Proceso físico | Cambio de entropía |
| Fusión (de sólido a líquido) | Positivo |
| Ebullición (sólido a gas) | Positivo |
| Congelación (de líquido a sólido) | Negativo |
| Sublimación (sólido a gas) | Positivo |
| Condensación (gas a líquido) | Negativo |
| Disolución | Aumento |
| Descomposición | Aumento |
| Cristalización | Disminuye |
En general: las reacciones que presentan fusión, ebullición o sublimación suelen tener un cambio de entropía positivo, mientras que las reacciones que presentan congelación o condensación tienen un cambio de entropía negativo.
Cambio de temperatura
Del mismo modo, piensa en lo que ocurre con la entropía de un sistema si aumentas su temperatura pero no cambias el estado de las sustancias que contiene. El calentamiento proporciona a las partículas del sistema más energía cinética. Esto significa que, en el caso de los sólidos, las partículas vibran en el lugar más rápidamente, mientras que en el caso de los líquidos y los gases, las partículas se mueven más rápidamente. En ambos casos, aumenta el desorden del sistema. Por tanto, si aumenta la temperatura de un sistema, aumenta su entropía.
En general: las reacciones endotérmicas presentan un cambio de entropía positivo.
Cambio en el número de moles
Otra causa de un cambio de entropía es el cambio en el número de moles durante una reacción química. En concreto, nos fijamos en el número de moles de gas porque los gases tienen entropías significativamente mayores que los sólidos y los líquidos. Los sistemas que contienen más moles de gas tienden a tener una entropía mayor que los que tienen menos moles de gas.
Considera la inversa del Proceso de Haber:
$$2NH_3(g)\Nen flecha recta N_2(g)+3H_2(g)$$
¿Puedes ver cómo, en la reacción anterior, dos moles de gases se convierten en cuatro? Si creas más moles de gases que al principio, hay muchas más formas de que se muevan e interactúen entre sí, por lo que creas más desorden en el sistema. Esto significa que aumenta la entropía del sistema.
En general: las reacciones que contienen un mayor número de moles de gases en los productos que en los reactantes suelen tener un cambio de entropía positivo.
Resumen
La siguiente tabla resume los cambios generales de entropía que caracterizan a determinados tipos y características de las reacciones químicas:
| Tipo/característica de la reacción | Cambio de entropía |
| Cambio de estado (fusión, evaporación o sublimación) | Aumento |
| Cambio de estado (condensación o congelación) | Disminución |
| Aumento de temperatura | Aumento |
| Disminución de la temperatura | Disminución |
| Aumento del número de moles de gas | Aumento |
| Disminución del número de moles de gas | Disminución |
He aquí otras características de los cambios de entropía.
Cambio en la complejidad
Otras características de los cambios de entropía dependen de la complejidad de los compuestos. Generalmente, cuanto más compleja es la molécula en cuestión (es decir, cuantos más átomos y grupos tiene), mayor es su entropía.
Porejemplo, el CaO tiene una entropía menor que elCaCO3 porque tiene menos átomos por mol.
Cambio en la fuerza
Lo último que hay que tener en cuenta son los alótropos del mismo compuesto o elemento. Las sustancias más duras suelen tener una entropía menor que las sustancias más blandas (o menos definitivamente ordenadas).
Intenta visualizar el carbono tanto en el diamante como en el grafito. El grafito es mucho más blando que el diamante y tiene electrones que se mueven libremente, mientras que el diamante contiene una densa red de átomos de carbono. Todos estos factores hacen que el grafito tenga un valor de entropía mayor que el diamante.
Fórmula del cambio de entropía
Ahora deberías ser capaz de observar una reacción química y predecir el cambio de entropía que se produce en el sistema. En la siguiente sección exploraremos una fórmula que puedes utilizar para calcular cuantitativamente este cambio de entropía. Asegúrate de repasar nuestros ejemplos a medida que avanzas: ¡necesitas conocer este tema a fondo!
Echa un vistazo a la siguiente fórmula:
Delta S^circ _{sistema} = suma S^circ _{productos} - suma S^circ _{reactantes}$$
El resumen básico de la fórmula anterior es similar al de cualquier reacción termodinámica con la que te encuentres. Básicamente afirma que el cambio global de entropía de una reacción es igual a la entropía absoluta total de todos los productos, menos la entropía absoluta total de todos los reactantes. Pongamos un ejemplo para ver cómo tratar esta fórmula.
La siguiente ecuación muestra la reacción entre el nitrógeno y el hidrógeno para producir amoníaco, y los correspondientes valores de entropía de cada especie:
$$N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$$
- S°(NH3) = 192,5 J K-1 mol-1
- S°(H2) = 130,6 J K-1 mol-1
- S°(N2) = 191,5 J K-1 mol-1
Calcula el cambio de entropía de la reacción.
Bien, si nos fijamos en la fórmula de la entropía global, podemos ver que el cambio de entropía es igual a la entropía de los productos menos la entropía de los reactantes:
$$\Delta S^\circ _{sistema} = \ suma S^\circ _{productos} - suma S^circ _{reactantes}$$
Ahora sólo tenemos que hallar la entropía de los productos y la entropía de los reactantes utilizando la información de la pregunta, y sustituir estos valores en la fórmula:
$$\suma S^circ _{productos}=2 veces 192,5=385,0 espacio J\spacio K^{-1} espacio mol^{-1} $$
$$$Suma S^\c _{reactantes}= 191,5+(3 veces 130,6)=583,3 espacio J\space K^{-1} \space mol^{-1} $$$
$$Delta S^circ _{sistema}=385,0-583,3$$
$$$Delta S^\circ _{sistema}=-198,3$$ J\space K^{-1} \space mol^{-1} $$$
Así pues, el cambio de entropía global para la producción de amoníaco es de -198,3 J K-1 mol-1. Como es un valor negativo, en esta reacción la entropía disminuye.
Observa que esta fórmula te ayuda a calcular el cambio de entropía de un sistema. Sin embargo, las reacciones de un sistema también provocan un cambio de entropía en su entorno. Combinando el cambio de entropía de un sistema y el cambio de entropía de su entorno obtienes el cambio de entropía total :
$$\Delta S^\circ _{alrededores} = \frac{-\Delta H^\circ _{reacción}}{T} $$
$$Delta S^circ _{total}=\Delta S^circ _{sistema} + \Delta S^\circ _{alrededores} $$
El cambio de entropía total adquiere importancia cuando analizamos los cambios de entropía en las reacciones reversibles, a continuación.
Comprueba qué fórmulas te exige conocer tu tribunal.
Cambios de entropía en un proceso irreversible
Antes de terminar, vamos a explorar otras dos ideas relacionadas con los cambios de entropía. Empezaremos con los cambios de entropía en procesos irreversibles y reversibles.
Al hablar de entropía, podemos considerar dos tipos de procesos: reversibles e irreversibles.
Una reacción revers ible es aquella en la que los reactantes forman los productos, mientras que los productos reforman simultáneamente a los reactantes. En otras palabras, la reacción se produce en dos direcciones: hacia delante y hacia atrás.
Una reacción irreversible es aquella que no es reversible, es decir, que no promueve la reacción hacia atrás. Por el contrario, sólo se produce en una dirección.
No dudes en consultar nuestro artículo sobre Reacciones reversibles para saber más sobre este tema.
Pero, ¿qué tiene que ver la reversibilidad con la entropía? Pues tiene que ver con la segunda ley de la termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total no puede disminuir.
Considera de nuevo las reacciones reversibles e irreversibles. La entropía es una función de estado, lo que significa que la entropía total de un determinado sistema debería ser siempre la misma, independientemente de cómo se llegue a ese sistema. Pero sabemos que para cualquier reacción, sea reversible o irreversible, la entropía total no puede disminuir. Esto significa que si pasar de reactantes a productos aumenta la entropía total, entonces no puedes volver de productos a reactantes. Así pues, las reacciones con un cambio de entropía total positivo son irreversibles: la entropía total aumenta durante una reacción irreversible. Decimos que estas reacciones son espontáneas.
Reacciones espontáneas son reacciones que se producen sin intervención exterior, como el aporte de energía. También se denominan reacciones factibles.
Sin embargo, si al pasar de los reactantes a los productos no se produce ningún cambio total de entropía, entonces puedes volver de los productos a los reactantes. Eso significa que la reacción es reversible. Así pues, las reacciones reversibles tienen un cambio de entropía total de 0 J mol-1 K-1: la entropía total no cambia durante una reacción reversible.
Cambio de entropía de los gases ideales
Por último, puede que te interesen los cambios de entropía de los gases ideales. Por ejemplo, ¿en qué se diferencia el cambio de entropía de los gases ideales de los gases reales? Te ayudará considerar la definición de un ga ideal como.
Ungas ideal es un gas teórico que no tiene fuerzas intermoleculares entre sus partículas.
Trabajar con gases ideales suele ser mucho más sencillo que hacerlo con gases reales, porque podemos ignorar los efectos de fenómenos difíciles de calcular, como las interacciones entre partículas. De hecho, el comportamiento de los gases ideales suele poder deducirse únicamente a partir de una simple ecuación:
$$PV=nRT$$
El cálculo de los cambios de entropía de los gases ideales es mucho más sencillo que el de los gases reales precisamente por esta razón. Por ejemplo, podemos calcular fácilmente el cambio de entropía de un gas ideal que se expande de un lado a otro, y por tanto cambia de presión, utilizando sólo n, R y los volúmenes inicial y final. Verás que la entropía de un gas ideal aumenta a medida que aumenta su volumen.
Aquí tienes la fórmula. Observa que el volumen inicial viene dado por Vi y el volumen final por Vf:
$$\Delta S = nR \ln \frac{V_f}{V_i}$$
Además, los gases ideales siempre tienen unaentropía absoluta mayor que los gases reales, debido a la falta de interacciones entre las partículas.
Consulta nuestro artículo sobre la Ley de los gases ideales para saber más sobre los gases ideales.
Ahora que comprendes distintos aspectos de los cambios de entropía, deberías estar preparado para abordar cálculos de entropía de la vida real, así como para predecir el cambio de entropía que se produce en distintas situaciones y procesos.
Cambios en la entropía - Puntos clave
- Laentropía (S ) es una medida del desorden y el caos en un sistema.
- El cambio deentropía(∆S) es el cambio en el desorden (entropía) dentro de un sistema como resultado de un proceso químico o físico.
- Tanto la entropía como el cambio de entropía tienen las unidades J K-1 mol-1.
- Las características clave del cambio de entropía son
- La entropíaaumenta con la fusión, evaporación y sublimación.
- La entropíadisminuye con la condensación y la congelación.
- Laentropía aumenta con el aumento de la temperatura.
- Laentropía aumenta con el aumento del número de moles de gas.
- El cambio de entropía de un sistema viene dado por la fórmula \(\Delta S^circ _{sistema} = \suma S^circ _{productos} - suma S^circ _{reactantes}})
- El cambio total de entropía viene dado por la ecuación \(\Delta S^circ _{total}=\Delta S^circ _{sistema} + \Delta S^\circ _{alrededores} \)
- La entropía total aumenta en las reacciones irreversibles y durante la expansión de los gases ideales.
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