Termodinámicamente Favorable

Significado de termodinámicamente favorable

Antes de explorar qué impulsa a las reacciones a ser termodinámicamente favorables, repasemos las leyes de la termodinámica, la entropía (S) y la entalpía (H).

Existen tres leyes de la termodinámica. La primera ley estableceque el universo tiene una energía constante. En otras palabras, la energía no puede crearse ni destruirse, sólo transferirse entre el sistema y el entorno.

$$\mathrm{\Delta }{E}_{universo}\cup =\mathrm{\Delta }{E}_{sistema}+\mathrm{\Delta }{E}_{entorno}=0$$

La segunda ley de la termodinámica nos dice que, con el tiempo, la entropía del universo aumentará. Ahora bien, la tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un cristal perfecto a cero K es 0.

Entropía vs. Entalpía

Veamos las definiciones de entropía y entalpía. Entropía (S) es una medida del desorden (aleatoriedad) de un sistema. Cuanto mayor sea este valor, mayor aleatoriedad tiene un sistema. La variación de la entropía viene dada por la siguiente ecuación

$$\mathrm{\Delta }{S}^o=S_{products}^o-S_{reactants}^o$$

Laentalpía (H), se denomina a la energía calorífica que tiene una reacción. Básicamente, si el cambio de entalpía (ΔH) es menor que cero, la reacción será exotérmica. Si la ΔH supera cero, la reacción se considera endotérmica.

A continuación se muestra la fórmula del cambio de entalpía.

$$\mathrm{\Delta }{H}^o=\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{H}_{productos}^o-\mathrm{\Sigma }n\mathrm{\Delta }{H}_{reaccionantes}^o$$

Definamos ahora la favorabilidad termodinámica.

Ser termodinámicamente favorable significa que la reacción puede producirse sin ayuda externa al sistema. Por ejemplo, el NaCl que se disuelve en agua es un proceso termodinámicamente favorable

Un proceso favorecido termodinámicamenteestá favorecido termodinámicamente en un sentido y no termodinámicamente en el otro. Pero, ¿qué significa esto? Utilicemos el agua como ejemplo. El agua puede pasar de líquido a sólido a -10 °C, pero no puede pasar de sólido a líquido a esta temperatura. Por tanto

• ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{s}\right)$está favorecida termodinámicamente a -10 °C.
• ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{s}\right)\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)$está favorecida no termodinámicamente a -10 °C.

Un proceso no favorecido termodinámicamente se considera un proceso que necesita ayuda del exterior del sistema. Estas reacciones pueden ser forzadas a proceder si le aplicamos una fuente externa de energía.

Energía libre de Gibbs

Los químicos utilizan el cambio estándar de Energía Libre de Gibbs como medida de favorabilidad termodinámica. Para calcular la ΔG° se pueden utilizar las siguientes ecuaciones.

$$Delta{G}_{reacción}^o=Sigma[G_f^o(productos)]-Sigma[G_f^o(reactantes)]$$

$$Delta{G}_{reacción}^o=\mathrm{\Delta }{H}^o-T\mathrm{\Delta }{S}^o$$

Donde

• ΔG° es el cambio de energía libre de Gibbs estándar.
• _ΔG°f es la energía libre de formación estándar.
• ΔH° es el cambio de entalpía.
• T es la temperatura.
• ΔS° es el cambio en la entropía.

Al tratar de la Energía Libre de Gibbs, podemos decir que una reacción se verá favorecida termodinámicamente si ΔG° < 0 y no hay necesidad de una fuente externa de energía.

Reacciones Termodinámicamente Favorecidas

Piensa en reacciones exotérmicas y endotérmicas, y elige cuál de ellas crees que es la más frecuentemente favorecida termodinámicamente. Si has adivinado reacciones exotérmicas, ¡estás en lo cierto!

Las reacciones exotérmicas suelen verse favorecidas termodinámicamente porque liberan energía al entorno. Sin embargo, algunas reacciones endotérmicas también pueden verse favorecidas termodinámicamente. Por ejemplo, la evaporación es un proceso endotérmico termodinámicamente favorecido.

• El cambio de entalpía (ΔH) de una reacción endotérmica es siempre positivo.

$$\text{Extra close brace or missing open brace}$$

$$C_3{H}_{8\}(l)}flechaderecha{C}_3{H}_{8\}(g)}\text{NDelta}{H}^o=+16,7kJ$$

Los aumentos de entropía (S) también son termodinámicamente favorables. La regla general es que si la entropía del universo (sistema termodinámico más sus alrededores) es positiva, entonces la reacción se ve favorecida termodinámicamente. Si _ΔSuniverso es negativo, la reacción no se ve favorecida termodinámicamente.

$$\mathrm{\Delta }{S}_{universo}=\mathrm{\Delta }{S}_{sistema}+\mathrm{\Delta }{S}_{alrededores}$$

¿Cuándo aumenta la entropía? La entropía aumenta cuando:

• Durante una reacción, aumenta el número de moléculas.
• Aumenta la temperatura.
• Se forma un gas a partir de un líquido o un sólido.
• Aumenta el volumen.
• Aumenta el número de moles de gas debido a una reacción química.

Tabla de favorabilidad termodinámica

Para simplificar las cosas, hagamos un gráfico que muestre la favorabilidad termodinámica, considerando los cambios en la entropía y los cambios en la entalpía.

Termodinámicamente favorables vs Cinéticamente favorables

Veamos la diferencia entre las reacciones que son termodinámicamente favorables y las que son cinéticamente favorables.

Una reacción que es termodinámicamente favorable suele producirse a velocidades lentas y temperaturas más altas en una reacción reversible, y forma productos estables conocidos como productos termodinámicos.

Las reaccionescinéticamente favorables son lo contrario; son rápidas, pueden llevarse a cabo a bajas temperaturas y conducen a la formación de productos inestables. Los productos de las reacciones cinéticamente favorables se denominan productos cinéticos.

Como ejemplo, utilicemos la adición de bromuro de hidrógeno (HBr) al 1,3 butadieno. Esta reacción se ve con frecuencia en los cursos de química orgánica, y es un ejemplo de hidrohalogenación conjugada, o hidrohalogenación de dienos.

• A baja temperatura, el principal producto formado es el 1,2-producto. Éste es el producto cinético.
• A alta temperatura, el principal producto formado es el 1, 4-producto. Es el producto termodinámico y es más estable que el producto cinético.

Ejemplos de reacciones termodinámicamente favorecidas

Para terminar, veamos un ejemplo de reacción termodinámicamente favorecida. Este primer ejemplo nos pide que determinemos si la siguiente reacción está favorecida termodinámicamente.

Ahora, ¡espero que te sientas más familiarizado con el concepto de favorabilidad termodinámica!