Este documento trata sobre la entropía, la energía libre de Gibbs y el equilibrio químico. Explica que la entropía es una medida del desorden en un sistema y que los procesos espontáneos conducen a un aumento de la entropía total del universo. También introduce la energía libre de Gibbs y explica que los procesos espontáneos ocurren cuando ∆G es negativa. Por último, discute cómo la energía libre puede usarse para predecir la espontaneidad de las reacciones químicas y el equ

1. Entropía, energía libre y
equilibrio
Capítulo 18
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Se requiere permiso para reproducir o presentar este material.

2. Procesos físicos y químicos espontáneos
•Una cascada va hacia abajo
•Un terrón de azúcar se disuelve en una taza de café
•En 1 atm, el agua se congela por debajo de 0°C y el hielo se
derrite arriba de 0°C
•El calor fluye de un objeto caliente a un objeto frío
•Un gas se expande en un espacio libre vacío
•El hierro expuesto al oxígeno y al agua forma óxido
Espontáneo
No espontáneo
18.2

3. Espontáneo
No espontáneo
18.2

4. ¿Una disminución en la entalpía significa que una
reacción sucede espontáneamente?
Reacción espontánea
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) ∆H0 = -890.4 kJ
H+ (ac) + OH- (ac) H2O (l) ∆H0 = -56.2 kJ
H2O (s) H2O (l) ∆H0 = 6.01 kJ
H2O
NH4NO3 (s) NH4+(ac) + NO3- (ac) ∆H0 = 25 kJ
18.2

5. La entropía (S) es una medida de la aleatoriedad o del
desorden de un sistema
orden S desorden S
∆S = Sf - Si
El cambio del estado inicial al final conduce a un aumento
del grado de desorden
Sf > Si ∆S > 0
Para cualquier sustancia, el estado sólido está más ordenado
que el líquido y el estado líquido está más ordenado que el
estado gaseoso
Ssólido < Slíquido << Sgas
H2O (s) H2O (l) ∆S > 0
18.3

6. Entropía
W=1
W = número de microestados
S = k ln W W=4
∆S = Sf - Si
Wf
∆S = k ln
Wi
Wf > Wi entonces ∆S > 0
W=6
Wf < Wi entonces ∆S < 0
18.3

7. Procesos que
conducen a un
aumento de la
entropía (∆S > 0)
18.2

8. ¿Cómo cambia la entropía para cada uno de los
procesos siguientes?
a) Condensando vapor de agua
Disminución del grado de Disminución de entropía (∆S < 0)
desorden
b) Cristales de sacarosa que se forman de una solución supersaturada
Disminución del grado de desorden Disminución de entropía (∆S < 0)
c) Gas de hidrógeno calentado de 600°C a 800°C
Aumentos del grado de desorden Aumento de entropía (∆S > 0)
d) Sublimación de hielo carbónico
Aumentos del grado de desorden Aumento de entropía (∆S > 0)
18.3

9. Entropía
Las funciones de estado son aquellas que son determinadas por el estado del
sistema, independientemente de cómo se alcanza ese estado.
energía, entalpía, presión, volumen, temperatura, entropías
La energía potencial del excursionista
1 y del excursionista 2 es la misma
aun cuando ellos tomen caminos
diferentes. 18.3

10. Primera ley de la termodinámica
La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma
Segunda ley de la termodinámica
La entropía del universo aumenta en un proceso
espontáneo y permanece inalterada en un proceso de
equilibrio.
Proceso espontáneo ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Ssurr > 0
Proceso en equilibrio: ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Ssurr = 0
18.4

11. Cambio de entropía en el sistema (∆Ssis)
Entropía estándar de reacción (∆S0 ) es el cambio de
rxn
entropía para una reacción realizada en 1 atm y 25°C.
aA + bB cC + dD
∆S0 =
rxn [ cS0(C) + dS0(D) ] - [ aS0(A) + bS0(B) ]
∆S0rxn = Σ nS0(productos) - Σ mS0(reactivos)
¿Cuál es el cambio de entropía estándar para la reacción
siguiente a 25°C? 2CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g)
S0(CO) = 197.9 J/K•mol S0(CO2) = 213.6 J/K•mol
S0(O2) = 205.0 J/K•mol
∆S0 = 2 x S0(CO2) – [2 x S0(CO) + S0 (O2)]
rxn
∆S0 = 427.2 – [395.8 + 205.0] = -173.6 J/K•mol
rxn
18.4

12. Cambio de entropía en el sistema (∆Ssis)
Cuando los gases son producidos (o consumidos)
• Si una reacción produce más moléculas de gas
que las que consume, ΔS° > 0.
• Si el número total de moléculas de gas disminuye,
ΔS° < 0.
• Si no hay ningún cambio neto del número total de
moléculas de gas, entonces ΔS° puede ser positivo
o negativo PERO ΔS° tendrá un valor pequeño.
¿Cuál es el signo del cambio de entropía para la reacción siguiente?
2Zn (s) + O2 (g) 2ZnO (s)
Como el número total de moléculas de gas disminuye, ∆S
será negativo.
18.4

13. Cambio de entalpía en el medio (∆Salrededores)
Proceso exotérmico Proceso endotérmico
∆Salrededores > 0 ∆Salrededores < 0
18.4

14. Tercera ley de la termodinámica
La entropía de una sustancia cristalina perfecta es de cero
en el cero absoluto de temperatura .
S = k ln W
W=1
S=0
18.3

15. Energía libre de Gibbs
Proceso espontáneo ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Ssurr > 0
Proceso en equilibrio: ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Ssurr = 0
Para un proceso a temperatura
constante:
Enería libre ∆G = ∆Hsis -T∆Ssis
de Gibbs (G)
∆G < 0 La reacción es espontánea
∆G > 0 La reacción no es espontánea, es inducida.
∆G = 0 La reacción está en equilibrio
18.5

16. La energía libre estándar de reacción (∆Grxn ) es el cambio
0
de energía libre para una reacción cuando esto ocurre en
condiciones estándar.
aA + bB cC + dD
∆Grxn = [ c∆G0f (C) + d∆G0f (D) ] - [ a∆G0 (A) + b∆G0 (B) ]
0
f f
∆Grxn = Σ n∆G0 (productos) Σ m∆G0 (reactivos)
0
f - f
La energía libre estándar de
formación (∆G0) es el cambio de
f
energía libre que ocurre cuando 1
mol del compuesto se forma a
partir de sus elementos en estado
estándar.
La∆G0f de cualquier elemento solo
en su forma estable es cero.
18.5

17. ¿Cuál es el cambio de energía libre estándar para la
reacción siguiente a 25 °C?
2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)
∆Grxn = Σ n∆G0 (productos) -Σ m∆G0 (reactivos)
0
f f
∆Grxn = [ 12∆G0 (CO2) + 6∆G0 (H2O)] - [ 2∆Gf0 (C6H6) ]
0
f f
∆Grxn = [ 12x–394.4 + 6x–237.2 ] – [ 2x124.5 ] = -6405 kJ
0
¿Es la reacción espontánea a 25 0C?
∆G0 = -6405 kJ < 0
Sí es espontánea
18.5

18. ∆G = ∆H - T∆S
18.5

19. Temperatura y espontaneidad de reacciones químicas
CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
Proceso en equilibrio de CO2
∆H0 = 177.8 kJ
∆S0 = 160.5 J/K
∆G0 = ∆H0 – T∆S0
At 25 0C, ∆G0 = 130.0 kJ
∆G0 = 0 a 835 0C
18.5

20. Energía libre de Gibbs y cambios de fase
∆G0 = 0 = ∆H0 – T∆S0
H2O (l) H2O (g)
∆H 40.79 kJ
∆S = =
T 373 K
= 109 J/K
18.5

21. La Química en acción:
la eficiencia de las máquinas térmicas
Una máquina térmica simple
Th - Tc
Rendimiento = X 100%
Tc

22. La energía libre de Gibbs y el equilibrio químico
∆G = ∆G0 + RT lnQ
R es la constante de los gases ideales (8.314 J/K•mol)
T es la temperatura absoluta (K)
Q es el cociente de reacción
Equilibrio
∆G = 0 Q=K
0 = ∆G0 + RT lnK
∆G0 = − RT lnK
18.6

23. Energía libre contra el avance de reacción
∆G0 < 0 ∆G0 > 0
18.6

24. ∆G0 = − RT lnK
18.6

25. Alanina + Glicina Alanilglicina
∆G0 = +29 kJ K<1
ATP + H2O + Alanina + Glicina ADP + H3PO4 + Alanilglicina
∆G0 = -2 kJ K>1
18.7

26. La estructura del ATP Y del ADP en formas ionizadas
18.7

27. La termodinámica de una goma
T∆S = ∆H - ∆G
Entropía alta Entropía baja