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Si tienes curiosidad por saber qué significa esto, ¡vamos a sumergirnos en la energía libre de Gibbs y la favorabilidad termodinámica!
- Este artículo trata sobre las reacciones termodinámicamente favorecidas.
- En primer lugar, aprenderemos qué significa ser termodinámicamente favorable.
- Después hablaremos de las reacciones termodinámicamente favorables.
- Después, veremos la tabla de favorabilidad termodinámica y diferenciaremos entre ser termodinámicamente favorable y cinéticamente favorable.
- Por último, estudiaremos un ejemplo de reacción 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.
$$\Delta E_{universo}\cup =\Delta E_{sistema}+\Delta E_{entorno}=0$$
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.
Para seguir aprendiendo sobre esto, ¡consulta"Las Leyes de la Termodinámica"!
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
$$\Delta S^{o}=S^{o}_{products}-S^{o}_{reactants}$$
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.
Lasreacciones ex otérmicas son reacciones que transfieren energía de la sustancia reaccionante al entorno. En una reacción exotérmica, la temperatura de la solución aumenta.
En las reaccionesendotérmicas, la energía se transfiere del entorno a la sustancia que reacciona, y la temperatura de la solución disminuye.
A continuación se muestra la fórmula del cambio de entalpía.
$$\Delta H^{o}=\Sigma n\Delta H^{o}_{productos}-\Sigma n\Delta H^{o}_{reaccionantes}$$
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
Si un proceso puede producirse sin ayuda externa una vez alcanzada la energía de activación, se dice que este proceso tiene favorabilidad termodinámica.
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
- está favorecida termodinámicamente a -10 °C.
- 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.
$$Delta G^{o}_{reacción}=Sigma [G^{o}_{f}(productos)]-Sigma [G^{o}_{f}(reactantes)]$$
$$Delta G^{o}_{reacción}=\Delta H^{o}-T\Delta S^{o}$$
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.
Algunos libros de texto pueden utilizar los términos espontáneo y no espontáneo para describir reacciones termodinámicamente favorables y termodinámicamente desfavorables. Pero, ¡espera ver favorable y desfavorable en tu examen AP! Para obtener una explicación más detallada sobre laEnergía Libre de Gibbs, consulta"Energía Libre de Gibbs".
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.
$$H_{2}O_(l)}rightarrow H_{2}O_(g)}\ \ \ \ \ δ H^{o}=+40,7kJ$$
$$C_{3}H_{8\}(l)}flecha derecha C_{3}H_{8\}(g)} \NDelta H^{o}=+16,7kJ$$
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.
$$\Delta S_{universo}=\Delta S_{sistema}+\Delta S_{alrededores}$$
¿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.
¿Sabías que podemos combinar reacciones termodinámicamente desfavorecidas con reacciones termodinámicamente favorecidas para crear un proceso global termodinámicamente favorable? Esto se conoce como acoplamiento, ¡y puedes aprenderlo en"Reacciones acopladas"!
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.
| Cambio de entropía | Cambio de entalpía | Energía libre de Gibbs | ¿Termodinámicamente favorecido? |
| Negativo | Negativo | Depende de la temperatura | Sólo a bajas temperaturas |
| Positivo | Negativo | Negativo | Sí |
| Negativo | Positivo | Positivo | No |
| Positivo | Positivo | Depende de la temperatura | Sólo a altas temperaturas |
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.
La tabla siguiente da algunos valores importantes para la reacción entre H2Sy O2 a 298K. Utiliza esta tabla para predecir si la reacción está favorecida termodinámicamente.
$$H_{2}S_(g)}+2O_{2\(g)}\rightleftharpoons H_{2}SO_{4\(g)}$$
| H2S | O2 | H2SO4 | |
| -20 | 0 | -814 | |
| 206 | 205 | 157 | |
| -33 | 0 | -690 |
En primer lugar, tenemos que asegurarnos de que todo tiene las mismas unidades. Observa que la entropía está en J, mientras que las demás están en kJ. Así pues, los valores convertidos para ΔS° (kJ/K-mol) son 0,206, 0,0205 y 0,157.
Ahora, tenemos que calcular para la reacción utilizando las siguientes fórmulas:
$$\Delta S_{universo}=\Delta S_{sistema}+\Delta S_{alrededores}$$
$$\Delta S^{o}=[1(0.157)]-[1(0.206)+2(0.205)]=-0.459kJ/K\cdot mol$$
$$Delta H^{o}=Sigma n\Delta H^{o}_{productos}-\Sigma n\Delta H^{o}_{reactantes}$$
$$\Delta H^{o}=[1(-814)]-[1(-20)]=-749kJ/mol$$
$$Delta G^{o}=Sigma [G^{o}_{f}(productos)]-Sigma [G^{o}_{f}(reactantes)]$$
$$\Delta G^{o}=[1(-690)]-[1(-33)]=-657kJ/mol$$
Una reacción que tiene una entropía negativa, una entalpía negativa y un valor de energía libre de Gibbs negativo, se dice que es termodinámicamente favorable.
Ahora, ¡espero que te sientas más familiarizado con el concepto de favorabilidad termodinámica!
Favorabilidad termodinámica - Puntos clave
- Si un proceso puede producirse sin ayuda externa una vez alcanzada la energía de activación, se dice que este proceso tiene favorabilidad termodinámica.
- Una reacción estará termodinámicamente favorecida si ΔG° < 0.
- Las reacciones exotérmicas suelen estar favorecidas termodinámicamente porque liberan energía al entorno. Sin embargo, algunas reacciones endotérmicas también pueden verse favorecidas termodinámicamente.
Referencias
- Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., & Decoste, D. J. (2019). Química. Cengage Learning Asia Pte Ltd.
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Química : la ciencia central (14ª ed.). Pearson.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (Editorial. (2020). Química supersimple: la guía de estudio definitiva. Dk Publishing.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (Editorial. (2020). Química supersimple: la guía de estudio definitiva en tamaño mordisco. Dk Publishing.
- Mcmahon, P. E., Rosemary Fischer Mcmahon, & Khomtchouk, B. B. (2019). Guía de supervivencia de la química general. Crc Press.
- Nedu Llc. (2021). Química fácil : una guía de estudio ilustrada para que los estudiantes aprendan química fácilmente. Nedu.com.
- Solomons, G., Fryhle, C. B., y Snyder, S. A. (2016). Química orgánica II. John Wiley & Sons, Inc.
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