entalpía, entropía y energía libre de gibbs · 2018-05-02 · 3. espontaneidad de las reacciones...
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Entalpía, entropía y energía libre de
Gibbs
Química III medio común 2018
Aprendizajes esperados
• Conocer el concepto de entalpía.
• Aplicar la ley de Hess.
• Conocer el concepto de entropía.
• Interpretar el concepto energía libre de Gibbs.
Pregunta oficial PSU
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Modelo prueba de Ciencias Admisión PSU 2017
1. Leyes de la termodinámica
2. Calor de formación
3. Espontaneidad de las reacciones
1. Leyes de la termodinámica
Cuando se queman 2 mol (4 gramos) de H2, se producen 115,6 kcal y 2 mol (36
gramos) de agua en estado líquido, y se consume1 mol (32 gramos) de oxígeno
gaseoso.
1) El valor de ∆H es proporcional a la masa de los reactivos o de los
productos.
2 2 22H (g) + O (g) 2H O ( ) ΔH = 115,6 kcall
Si se quema 1 mol de hidrógeno, se producirá la mitad de kilocalorías que
al quemar 2 mol, es decir, 57,8 kcal; se producirá 1 mol de agua y se
habrá consumido medio mol de oxígeno.
Para utilizar las ecuaciones termodinámicas es necesario conocer las
siguientes leyes de la termoquímica.
1. Leyes de la termodinámica
2) El valor de ∆H en una reacción es igual y de signo opuesto al valor de ∆H
de la reacción inversa.
Esto significa que la cantidad de calor desprendido en una reacción es
igual a la cantidad de calor absorbido por la reacción inversa.
2 2 2 2H O ( ) 2H (g) + O (g)l
∆H sería igual a 115,6 kcal.
1. Leyes de la termodinámica
3) El valor de ∆H en una reacción es el mismo si transcurre directamente o
por etapas. Es la ley de Hess.
Los calores de reacción pueden ser determinados experimentalmente en
pocas reacciones. Los demás se calculan aplicando la ley de Hess, que es
una consecuencia del primer principio de la termodinámica.
2 2
2 1
2 2
C (s) + O (g) CO (g)
Transcurre en las siguientes etapas:
1• Etapa 1: C (s) + O (g) CO (g) ΔH = 110,5 kJ
2
1• Etapa 2: CO (g) + O (g) CO (g)
2
2 ΔH = 283,0 kJ
1. Leyes de la termodinámica
2 2 2
2 2
Si se suman estas ecuaciones:
1 1 C (s) + O (g) + CO (g) + O (g) CO (g) + CO (g)
2 2
y una vez simplificada, se obtiene:
C (s) + O (g) CO (g)
Luego
1 2
el ΔH de la reacción será también la suma de las entalpías de las etapas 1 y 2
ΔH = ΔH + ΔH = ( 110,5 kJ) + ( 283,0 kJ) = 393,5 kJ
La ley de Hess afirma que el calor de una reacción, medido a presión o
volumen constante, no depende del camino seguido, y es
independiente de que el proceso transcurra en una o varias etapas.
Ejercitación
D
2. Calor de formación
Corresponde a la cantidad de calor puesto en juego en la formación de
un mol de dicho compuesto a partir de sus elementos, en las condiciones
de 1 atmósfera de presión y 25 °C de temperatura.
Los calores de formación permiten determinar calores de reacción.
El calor de formación de un
elemento es cero.
El calor de formación de un compuesto coincide con su entalpía.
Por consiguiente, el calor de reacción viene dado por:
° ° °
f fΔH = ΔH (productos) ΔH (reactivos)
2. Calor de formación
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g) ΔH = – 483,6 kJ
4H2 (g) + 2O2 (g) 4H2O (g) ΔH = – 967,2 kJ
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g)
ΔH = – 483,6 kJ
2H2O (g) 2H2 (g) + O2 (g)
ΔH = + 483,6 kJ
Entalpía → Es una propiedad extensiva La cantidad de entalpía depende
de la cantidad de reactivos.
Entalpía → Es una propiedad inversa Para el proceso inverso la entalpía
es de signo contrario.
Ejercitación
A Aplicación
Pregunta HPC
C Comprensión
3. Espontaneidad de las reacciones
La termodinámica tiene entre sus objetivos predecir si una reacción se
producirá en determinadas condiciones. Si se produce la reacción, se dice
que es espontánea en dichas condiciones. Este concepto no indica nada
sobre la rapidez con la que se produce la reacción.
Procesos que ocurren
naturalmente sin requerir de
causas o estímulos externos.
Procesos que para
producirse requieren de
un agente externo.
3. Espontaneidad de las reacciones
3.1 Variación de entropía
La entropía (∆S) de una sustancia es una de sus propiedades
características, y es una medida del desorden molecular.
A mayor entropía, mayor desorden.
Generalmente, los sistemas tienden de forma natural hacia un mayor
desorden, es decir, hacia un aumento de entropía.
La variación de entropía viene dada por:
ΔS = S (productos) S (reactivos)
La entropía de una sustancia tiene un valor definido para cada
temperatura y presión, es decir, es una función de estado que solo
depende del estado de la sustancia.
3. Espontaneidad de las reacciones
De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica, se establece que en
todo proceso espontáneo ocurre un aumento en la entropía y si el
proceso está en equilibrio esta se mantiene constante.
3.1 Variación de entropía
Tiende al desorden Proceso espontáneo ΔS = +
Proceso no espontáneo Tiende al orden ΔS = –
3. Espontaneidad de las reacciones
3.2 Variación de energía libre
Reacción espontánea en el sentido indicado. ΔG < O
Al igual que la entalpía y la entropía, la energía libre de Gibbs o entalpía
libre, G, es una función de estado. Por tanto, su variación solo depende
del estado inicial y del estado final. Se define:
G = H – TS
ΔG = G (productos) G (reactivos)
ΔG > O Reacción no espontánea en el sentido indicado.
ΔG = O El sistema está en equilibrio.
3. Espontaneidad de las reacciones
La variación de energía libre, a T constante, está relacionada con la H y S
por la ecuación de Gibbs-Helmholtz.
3.3 Relación entre ∆G, ∆H, ∆S. Ecuación de Gibbs-Helmholtz
∆G = ∆H – T∆S
ΔG= variación de entalpía libre. ∆H= variación de entalpía.
T= temperatura en K. ∆S= variación de entropía.
Se utilizan habitualmente en condiciones estándar, es decir,
1 atm y 25 °C.
∆G° = ∆H° – T∆S°
Ejercitación
B ASE
Ejercitación
A Aplicación
Para una reacción con ∆H = –33 kJ y ∆S = –58 J/K, la temperatura a la cual se
alcanza el equilibrio es
Pregunta oficial PSU
Fuente: DEMRE – U. DE CHILE, Modelo prueba de Ciencias Admisión PSU 2017
ALTERNATIVA CORRECTA
A
Síntesis de la clase
ESPONTANEIDAD
∆G = ∆H – T∆S
Energía libre de Gibbs
Reacción química
∆H < O → exotérmica
∆H > O → endotérmica
∆H ∆S ∆G
∆G < O → espontánea
∆G > O → no espontánea
∆S < O → ↓ desorden
∆S > O → ↑ desorden