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Es posible que ya sepas que para que una reacción sea factible, el cambio de entalpía (∆H) debe disminuir. Una reacción factible también debe mostrar un aumento en el cambio de entropía (∆S). ¿Ves un problema? ¿Qué pasa si en una reacción dada, el cambio de entalpía disminuye y el cambio de entropía también disminuye? ¿La reacción es factible o no? ¿Cómo lo averiguamos? ¡Sigue leyendo!
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Regístrate gratisSi ∆H es positiva y ∆S positiva, la reacción será espontánea a ______ temperatura.
Cuando el cambio en la energía libre de Gibbs es ΔG < 0, la reacción es:
Cuando una reacción es no espontánea, se dice que al sistema se le debe realizar un:
Cuando un sistema usa su energía libre (o la energía que tiene disponible para hacer trabajo), el cambio en la energía libre de Gibbs será:
∆S es el cambio de ______ en el sistema.
∆H corresponde a:
Cuando una reacción tiene ΔG° < 0 se dice que es termodinámicamente:
¿Cuáles son las unidades de la energía libre de Gibbs?
¿Qué sucede con la entropía al aumentar la temperatura de un sistema?
¿Cuál es la notación que se agrega al cambio en una función para notar condiciones estándar?
El término que se multiplica por el cambio de entropía en la ecuación de la energía libre de Gibbs es la:
Si ∆H es positiva y ∆S positiva, la reacción será espontánea a ______ temperatura.
Cuando el cambio en la energía libre de Gibbs es ΔG < 0, la reacción es:
Cuando una reacción es no espontánea, se dice que al sistema se le debe realizar un:
Cuando un sistema usa su energía libre (o la energía que tiene disponible para hacer trabajo), el cambio en la energía libre de Gibbs será:
∆S es el cambio de ______ en el sistema.
∆H corresponde a:
Cuando una reacción tiene ΔG° < 0 se dice que es termodinámicamente:
¿Cuáles son las unidades de la energía libre de Gibbs?
¿Qué sucede con la entropía al aumentar la temperatura de un sistema?
¿Cuál es la notación que se agrega al cambio en una función para notar condiciones estándar?
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La entalpía (H) es la suma de la energía interna (E) y el producto de la presión (P) y el volumen (V) de un sistema termodinámico:
$$H=E+PV$$
Una disminución en H significa que la reacción liberó calor.
La entropía (S) es la medida del desorden en un sistema termodinámico. Un aumento en la entropía significa que el sistema se desordenó después de la reacción (por ejemplo, cuando un sólido se vuelve líquido).
En este artículo recordarás la definición de entalpía y entropía.
A continuación, aprenderás el concepto de energía libre de Gibbs y su fórmula.
También, comprenderás la importancia de los procesos espontáneos y no espontáneos.
Finalmente, verás cómo determinar si una reacción es espontánea o no, a partir de la entalpía del sistema.
Willard Gibbs fue un físico y matemático estadounidense que ideó el concepto de energía libre.
La energía libre de Gibbs (G) se conoce como la energía disponible para que el sistema se realice. Se define matemáticamente como entalpía (H) menos el producto de la temperatura termodinámica (T) y la entropía (S). Es utilizada para predecir la espontaneidad de una reacción química.
La relación entre la entalpía y la entropía para obtener la energía libre de Gibbs está dada por la ecuación:
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$$
Donde:
Fig. 1: Efecto de la temperatura en la ecuación de energía libre de Gibbs.
Quizás te preguntes por qué se incluye la temperatura en la ecuación de la energía libre de Gibbs. La respuesta es que la temperatura afecta la viabilidad de una reacción.
Por ejemplo, decimos que la combustión es un proceso espontáneo. Sin embargo, si se dejara un poco de madera en una habitación, ¿se quemaría? ¿Qué pasa si aumentas la temperatura encendiendo un fuego debajo de la leña? ¿La reacción se vuelve más o menos factible?
Claramente, al aumentar la temperatura, ha aumentado la posibilidad de que se produzca la combustión.
Puedes ver que \(\Delta S\) está relacionada con la temperatura en la ecuación de energía libre. La entropía se limita a la energía total disponible para un sistema. Esto significa que si agregaras calor a una muestra, aumentarías su valor de entropía total.
La entropía de un sistema aumenta, a medida que aumenta su temperatura, porque las partículas ganan energía y se mueven más. En otras palabras, las partículas se vuelven más dispersas o desordenadas: hay una tendencia natural hacia un aumento de la entropía.
Fig. 2: La entropía de un sistema aumenta con la temperatura.
Todos los proceso espontáneos involucran un aumento en la entropía total del universo.
Como has visto anteriormente, la energía libre de Gibbs es una variable resultante de una operación matemática entre la entalpía y la entropía. La energía libre de Gibbs, al igual que la entalpía, es una variable que representa la energía del sistema, por lo que sus unidades de medida en el sistema internacional son las de J/mol o, en los órdenes de magnitud que se trabaja, usualmente kJ/mol (kJ·mol-1).
Un sistema es incapaz de producir su propia energía, por lo que obtiene energía de su entorno. Cuando un sistema usa su energía libre (o la energía que tiene disponible para hacer trabajo), el cambio en la energía libre de Gibbs (\(\Delta G\)) será negativo.
Cuando se habla de funciones en el área de la termodinámica, es posible establecer las condiciones estándar en las que los reactivos y productos de la reacción están presentes en condiciones estándar. Por ejemplo, en sustancias puras, soluciones de 1M de concentración o en forma de gas a una presión de 1 bar, y una temperatura (por lo general) de 298.15 K). En este caso la notación para la ecuación de la energía libre estará dada como:
$$\Delta G°= \Delta H° - T\Delta S°$$
¿Cómo podemos saber si una reacción se verá termodinámicamente favorecida? ¡Hagamos una tabla!
Recuerda: si una reacción es espontánea, \(\Delta G\) será negativo (\(\Delta G< 0\)); mientras que si se dice que una reacción no es espontánea, \(\Delta G> 0\).
Fig. 3: Cambios en la energía libre de Gibbs para una reacción espontánea.
Si una reacción tiene \(\Delta G< 0\), entonces la reacción será termodinámicamente favorable.
| ΔH° debe ser: | ΔS° debe ser: | -TΔS° debe ser: | Para que la reacción sea |
| Negativo | Positivo | Negativo | Espontáneo a todas las temperaturas |
| Positivo | Negativo | Positivo | No espontáneo a todas las temperaturas |
| Negativo | Negativo | Positivo | Espontáneo a bajas temperaturas |
| Positivo | Positivo | Negativo | Espontáneo a altas temperaturas |
Tabla 1: Condiciones para que se dé cada reacción, en relación con la temperatura.
Existen dos formas de calcular la energía libre de Gibbs estándar (\(\Delta G°\)):
Antes de aprender estos dos métodos para calcular la energía libre, debes recordar que la energía libre de Gibbs —como la entalpía y la entropía— es una función de estado y tiene valores estándar para los compuestos. Sin embargo, la mayoría de las veces calculamos la energía libre en condiciones no estándar. Por lo tanto, a menudo verás \(\Delta G\) sin el símbolo de condiciones estándar (º).
Las unidades de la ecuación \(\Delta G= \Delta H - T\Delta S\) son:
∆Sº aquí representa el cambio de entropía de una reacción, y no la entropía total. ¡Ten cuidado con las unidades de entropía cuando hagas cálculos de ∆G! Recuerda cambiarlas a kJ K-1 mol-1 dividiéndolos por 1000.
Calcula ∆Gº para la combustión de metano, sabiendo que ∆Sº = -242.2 J K-1 mol-1 y ∆Hº = -890.4 kJ mol-1:
$$CH_4{(g)}+2O_{2(g)} \rightarrow CO_{2(g)}+2H_2O_{(l)}$$
Recuerda convertir el valor de la entropía a kJ K-1 mol-1 , dividiendo entre 1000:
$$\frac {-242.2\ J}{1\ mol\cdot K} \cdot \frac {1 kJ}{1000 J}=-0.2422\ kJ/mol\cdot K$$
Escribe la ecuación para la energía libre de Gibbs:
$$\Delta G= \Delta H - T\Delta S $$
Como nos piden valores estándar, trabajaremos con una temperatura T = 298 K.
Reemplaza en la ecuación con los valores dados:
$$\Delta G= (-890.4\ kJ/mol) - [(298\ K)(-0.2422\ kJ/mol\cdot K)]$$
$$\Delta G=-818.2\ kJ/mol$$
A continuación veremos un ejemplo de cómo calcular la energía libre de Gibbs estándar a partir de valores tabulados.
Utiliza los valores dados de ∆Gº para encontrar el ∆Gº de la siguiente reacción:
$$C_2H_5OH_{(l)}+3O_{2(g)}\rightarrow 2CO_{2(g)}+3H_2O_{(g)}$$
| Sustancia | \(\Delta G°\) (kJ mol-1) |
| \(C_2H_5OH_{(l)}\) | -175 |
| \(O_{2(g)}\) | 0 |
| \(CO_{2(g)}\) | -395 |
| \(H_2O_{(g)}\) | -229 |
Cuando conocemos el \(\Delta G°\) de cada una de las sustancias en la reacción, podemos calcular \(\Delta G\), usando la ecuación:
$$\Delta G°= \sum {n_i\Delta G°_{productos}}-\sum {n_i\Delta G°_{reactivos}}$$
Reemplazando los valores de la tabla dentro de la ecuación, tenemos:
\(\Delta G°=[(2)(\Delta G°_{CO_{2(g)}})+(3)(\Delta G°_{H_2O_{(g)}})]-[(1)(\Delta G°_{C_2H_5OH_{(l)}})+(3)(\Delta G°_{O_{2(g)}})] \)
\(\Delta G°=[(2)(-395\ kJ/mol)+(3)(-229\ kJ/mol)]-[(1)(-175\ kJ/mol)+(3)(0\ kJ/mol)]\)
\(\Delta G°=-1300\ kJ/mol \)
Ahora, resolveremos un ejercicio en la cual debemos predecir la espontaneidad de una reacción química.
Indica si la siguiente reacción es espontánea o no espontánea:
$$N_{2(g)}+3H_{2(g)}\rightarrow 2NH_{3(g)} \; \; \Delta H°_{rxn}=-92\ kJ$$
Solución:
La pregunta nos da el cambio de entalpía, que es negativa (lo que significa que la reacción es exotérmica).
Para predecir el signo del cambio de entropía \(\Delta S\), podemos echar un vistazo a lo siguiente:
¿Hay un aumento en el número de moles?
En caso de que no haya aumento en el número de moles, ¿hay un cambio de fase?.
En este caso, el número de moles disminuye de 4 moles de gas a 2 moles de gas, por lo que hay una disminución de la entropía (\(\Delta S < 0\)).
Ahora sabemos que \(\Delta H \) es negativo y \(\Delta S \) también lo es. Cuando un \(\Delta S \) negativo se multiplica por \(-T\), obtenemos un número positivo. Entonces, mirando la tabla anterior, podemos decir que esta reacción sería espontánea a bajas temperaturas.
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¿Cuándo la energía libre de Gibbs es espontánea?
Se dice que una reacción es espontánea cuando el cambio en la energía libre de Gibbs es negativo (ΔG < 0).
¿Cuándo una reacción es espontánea?
Una reacción es espontánea cuando el cambio en la energía libre de Gibbs es negativo (ΔG < 0).
¿Qué es la energía libre y la espontaneidad?
La energía libre es la energía almacenada en el sistema (o necesaria de manera externa) para poder realizar el proceso termodinámico.
La espontaneidad es la tendencia de una reacción a llevarse a cabo de manera natural (reacción espontánea) o el caso contrario, cuando es necesario hacer algún trabajo sobre el sistema para que la reacción ocurra (reacción no espontánea).
¿Cómo se usa la energía libre de Gibbs?
La energía libre de Gibbs se usa para saber si el proceso se llevará de manera espontánea (ΔG < ), o si es necesario realizar algún trabajo sobre el sistema (ΔG > 0).
¿Por qué es importante la energía libre de Gibbs?
La energía libre de Gibbs es importante porque permite saber la espontaneidad de un proceso. Por esto, es importante determinarla de manera teórica, antes de realizar cualquier experimento en laboratorio y, así, determinar si es necesario tener en cuenta o no procesos externos para que la reacción ocurra.
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Lily Hulatt es una especialista en contenido digital con más de tres años de experiencia en estrategia de contenido y diseño curricular. Obtuvo su doctorado en Literatura Inglesa en la Universidad de Durham en 2022, enseñó en el Departamento de Estudios Ingleses de la Universidad de Durham y ha contribuido a varias publicaciones. Lily se especializa en Literatura Inglesa, Lengua Inglesa, Historia y Filosofía.
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Gabriel Freitas es un ingeniero en inteligencia artificial con una sólida experiencia en desarrollo de software, algoritmos de aprendizaje automático e IA generativa, incluidas aplicaciones de grandes modelos de lenguaje (LLM). Graduado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de São Paulo, actualmente cursa una maestría en Ingeniería Informática en la Universidad de Campinas, especializándose en temas de aprendizaje automático. Gabriel tiene una sólida formación en ingeniería de software y ha trabajado en proyectos que involucran visión por computadora, IA integrada y aplicaciones LLM.
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