TEORÍA
VAMOS A VER:
- Conceptos de:
- Entalpía.
- Energía libre de Gibbs
- Entropía
- Predicción de la espontaneidad de una reacción química
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CONCEPTO DE ENTALPÍA (H)
La entalpía (H) es una magnitud termodinámica que se utiliza para medir la cantidad de energía (que solemos medirla como
calor) que un sistema intercambia con su entorno.
En realidad lo que medimos es una diferencia de energía entre dos estados, por eso se representa así: 'ΔH'. La letra delta Δ representa un incremento.
El sistema puede CEDER o ABSORBER energía de su entorno, dependiendo de esto, el incremento de entalpía (ΔH) será mayor o menor que cero, es decir, positivo o negativo:
ΔH>0: ENDOTÉRMICA (absorbe calor)
ΔH<0: EXOTÉRMICA (desprende calor)
Que una reacción sea endotérmica significa que NECESITA calor para que dicha reacción se de, es decir, para que los reactivos pasen a productos.
Que una reacción sea exotérmica significa que SE GENERA calor cuando se da dicha reacción, es decir, para que los reactivos pasen a productos.
[Debes saber también:
Que la
entalpía estándar de fusión(ΔH0f ) de cualquier elemento en su estado natural es cero.]
CONCEPTO DE ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (G)
En termodinámica, la energía libre de Gibbs es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).
El incremento de Energía libre de Gibbs (ΔG) nos dice si la reacción es ESPONTÁNEA o NO ESPONTÁNEA.
ΔG<0: REACCIÓN QUÍMICA ESPONTÁNEA
ΔG>0: REACCIÓN NO ESPONTÁNEA
Que una reacción química sea espontánea significa que se da por sí misma, que no necesita de calor u otra forma de energía para que los reactivos pasen a productos. Pero CUIDADO: no confundas espontaneidad con rapidez de una reacción, hay reacciones espontáneas que se dan en años.
CONCEPTO DE ENTROPÍA (S)
La entropía es una magnitud termodinámica que determina el desorden de un sistema.
A mayor desorden, mayor será ese incremento de entropía (ΔS).
ΔS>0: AUMENTA EL DESORDEN
ΔS<0: DISMINUYE EL DESORDEN
[Debes saber también:
El ΔS de cualquier sustancia cristalina a 0ºC es cero.]
RESUMEN DE ΔH, ΔG Y ΔS:
PREDICCIÓN DE LA ESPONTANEIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA
Con la siguiente fórmula y sabiendo los signos de la ΔH y ΔS podemos predecir de forma cualitativa si una reacción es espontánea o no.
ΔG=ΔH-TΔS
Analicemos el siguiente cuadro resumen:
Como hemos visto antes, a magnitud que nos dice si una reacción es espontánea o no es la ΔG, y su signo va a depender de los signos de ΔH y de ΔS.
- ΔH y ΔS tienen distinto signo
Lo más sencillo es cuando ΔH y ΔS tienen
distinto signo, el signo de ΔG no va a depender de la temperatura.
Si ΔH y ΔS son de distinto signo, el signo de ΔG, y por tanto la espontaneidad de la reacción, no dependen de la temperatura.
- ΔH y ΔS tienen el mismo signo
Veamos ahora cómo ΔG depende de la temperatura si ΔH y ΔS tienen el mismo signo:
Sabiendo que:
ΔG=ΔH-TΔS
Cuando
ΔH y ΔS son del mismo signo, podemos decir que el signo de ΔG dependerá de la temperatura, ya que:
- Cuando la
temperatura sea baja, predominará el término entálpico (ΔH) sobre el entrópico (TΔS).
- Cuando la
temperatura sea alta, predominará el término entrópico (TΔS) sobre el entálpico (ΔH).
Esto se debe a que en la fórmula que estamos mirando (ΔG=ΔH-TΔS), la temperatura está multiplicando al término ΔS.
Ya que estamos haciendo una predicción de forma cualitativa, podemos decir que el signo de ΔG se corresponderá con el término que predomine. Por ejemplo
Como estamos a baja temperatura, el término ΔH predominará sobre el TΔS.
Por tanto, ΔG tendrá el mismo signo que ΔH, en este caso positivo, por lo que podemos decir que la reacción será no espontánea.
ΔG>0
=> Reacción NO espontánea.
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EJERCICIO PAU RESUELTO
Resolveremos a continuación un ejercicio sobre este apartado que ha entrado en años anteriores en la PAU.
QUÍMICA. 2012. JUNIO. EJERCICIO 4. OPCIÓN A
Dadas las siguientes ecuaciones termoquímicas:
1) 2 H2O2 (l) --> 2 H2O (l) + O2 (g) ΔH= -196 kJ
2) N2 (g) + 3 H2 (g) --> 2 NH3 (g) ΔH= -92,4kJ
Justifique:
a) El signo que probablemente tendrá la variación de entropía en cada caso.
b) El proceso que será siempre espontáneo.
c) El proceso que dependerá de la temperatura para ser espontáneo.
Resolución:
a)
La variación de entropía (ΔS), aumenta al aumentar el número de moles del sistema, especialmente si son gaseosos y viceversa, por tanto, en este caso:
1) Aumentará (
ΔS>0), ya que se generan más moles y además algunos gaseosos.
2) Disminuirá (
ΔS<0), ya que disminuye el número de moles gaseosos, de 4 moles gaseosos que hay en los reactivos, se pasa a 2 moles gaseosos.
b)
Para que un proceso sea espontáneo, su ΔG debe ser negativa. Según esta ecuación:
ΔG=ΔH-TΔS,
la ΔG será siempre negativa en la reacción 1), ya que ΔH<0 y ΔS>0
c)
En el caso 2) la espontaneidad dependerá de la temperatura, ya que ΔH<0 y ΔS<0, por lo que:
- Si la temperatura es baja, predominará el término entálpico (ΔH), por tanto ΔG<0 y la reacción espontánea.
- Si la temperatura es alta, predominará el término entrópico (ΔS), por tanto ΔG>0 y la reacción NO espontánea.
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EJERCICIOS PAU PROPUESTOS
Con lo que llevamos visto hasta ahora, ya puedes hacer los siguientes ejercicios. Os dejo el enlace directo de la resolución de cada uno de la página de emestrada:
QUÍMICA. 2012. JUNIO. EJERCICIO 4. OPCIÓN A.
QUÍMICA. 2010. JUNIO. EJERCICIO 4. OPCIÓN A.
QUÍMICA. 2006. JUNIO. EJERCICIO 3. OPCIÓN B.
QUÍMICA. 2002. SEPTIEMBRE. EJERCICIO 3. OPCIÓN B.
QUÍMICA. 2000. SEPTIEMBRE. EJERCICIO 3. OPCIÓN B.
