Diferencia de energía libre
En condiciones no estándar, hay que calcular Q (de forma similar al cálculo de una constante de equilibrio). Para los gases, las concentraciones se expresan como presiones parciales en unidades de atmósferas o bares, y los solutos en unidades de molaridad.
Existe una relación directa entre ΔG⁰ y la constante de equilibrio K. Podemos establecer esta relación sustituyendo los valores de equilibrio (ΔG = 0, y K = Q) en la ecuación para determinar el cambio de energía libre en condiciones no estándar:
Ahora tenemos una forma de relacionar la constante de equilibrio directamente con los cambios de entalpía y entropía. Además, ahora podemos determinar la constante de equilibrio a partir de tablas de datos termoquímicos o determinar el cambio de energía libre estándar a partir de las constantes de equilibrio.
Presión constante de equilibrio
La energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio son principios integrales en el campo de la termodinámica. Antes de hablar de la relación entre la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio y de cómo calcular sus valores, vamos a poner rápidamente en antecedentes a la termodinámica para tener una visión más completa de su funcionamiento a través de los conceptos de entropía y entalpía.
Un sistema se define como un cuerpo de materia o de radiación encerrado por paredes permeables que lo separan de su entorno, por ejemplo, un aparato de aire acondicionado que hace circular internamente el refrigerante y favorece la transferencia de calor entre él mismo y su entorno.
El “trabajo” en el contexto de la termodinámica es la transferencia de energía de un sistema a su entorno, como se ejemplifica en el sistema de aire acondicionado. El trabajo “útil” se refiere a un intercambio de energía que no implica la expansión de un sistema cerrado, lo que significa que su volumen permanece igual.
Los conceptos de entropía y entalpía también son principios importantes que hay que entender cuando se aprende sobre la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio. La entropía se define como la energía térmica de un sistema por unidad de temperatura que no está disponible para realizar un trabajo útil, mientras que la entalpía se define como el calor total del sistema.
Ecuación de equilibrio energético
301.1: Leyes y teorías científicas301.2: El método científico301.3: Clasificación de la materia por su estado301.4: Clasificación de la materia según su composición301.5: Propiedades físicas y químicas de la materia301.6: ¿Qué es la energía? 301.7: Medición: Unidades estándar301.8: Medición: Unidades derivadas301.9: Incertidumbre en la medición: Exactitud y precisión301.10: Incertidumbre en la medición: Lectura de instrumentos301.11: Incertidumbre en la medición: Cifras significativas301.12: Análisis dimensional
303.1: Moléculas y compuestos303.2: Fórmulas químicas303.3: Modelos moleculares303.4: Clasificación de elementos y compuestos303.5: Compuestos iónicos: Fórmulas y nomenclatura303.6: Compuestos moleculares: Fórmulas y nomenclatura303.7: Compuestos orgánicos303.8: Conceptos de masa de fórmula y mol de los compuestos303.9: Determinación experimental de la fórmula química303.10: Ecuaciones químicas
304.1: Estequiometría de la reacción304.2: Reactante limitante304.3: Rendimiento de la reacción304.4: Propiedades generales de las soluciones304.5: Concentración y dilución de soluciones304.6: Soluciones electrolíticas y no electrolíticas304.7: Solubilidad de compuestos iónicos304.8: Reacciones químicas en soluciones acuosas304.9: Reacciones de precipitación304.10: Reacciones de oxidación-reducción304.11: Números de oxidación304.12: Ácidos, bases y reacciones de neutralización304.13: Reacciones de síntesis y descomposición
Energía libre y equilibrio
Recordemos que si \(Q < K\), entonces la reacción procede espontáneamente hacia la derecha como se ha escrito, dando lugar a la conversión neta de reactivos en productos. Por el contrario, si \(Q > K\), entonces la reacción procede espontáneamente hacia la izquierda como se ha escrito, dando lugar a la conversión neta de productos en reactivos. Si \(Q = K\), entonces el sistema está en equilibrio, y no se produce ninguna reacción neta. La tabla \(\PageIndex{1}) resume estos criterios y sus valores relativos para los procesos espontáneos, no espontáneos y de equilibrio.
Dado que los tres criterios evalúan lo mismo -la espontaneidad del proceso-, sería muy sorprendente que no estuvieran relacionados. En esta sección, exploramos la relación entre la energía libre estándar de reacción (\(ΔG^o\)) y la constante de equilibrio (\(K\)).
Dado que \(ΔH^o\) y \(ΔS^o\) determinan la magnitud y el signo de \(ΔG^o\) y también porque \(K\) es una medida de la relación entre las concentraciones de productos y las concentraciones de reactivos, deberíamos ser capaces de expresar K en términos de \(ΔG^o\) y viceversa. “Energía libre”, \(ΔG\) es igual a la cantidad máxima de trabajo que un sistema puede realizar sobre su entorno mientras sufre un cambio espontáneo. Para un proceso reversible que no implique trabajo externo, podemos expresar el cambio de energía libre en términos de volumen, presión, entropía y temperatura, eliminando así \(ΔH\) de la ecuación para \(ΔG\). La relación general puede mostrarse como sigue (no se muestra la derivación):