¿Ocurrirá la reacción?
La energía libre de Gibbs responde a una de las preguntas centrales de la química: si una reacción tiende a producirse por sí sola a temperatura y presión constantes. Combina dos tendencias naturales: liberar energía (entalpía) y aumentar el desorden (entropía).
La ecuación
ΔG° = ΔH° − T × ΔS°
- ΔH°: entalpía de reacción, en kJ/mol. Negativa si la reacción desprende calor (exotérmica).
- ΔS°: entropía de reacción, en J/(mol·K). Positiva si aumenta el desorden.
- T: temperatura en kelvin.
Cuidado con las unidades: ΔS° suele darse en julios y ΔH° en kilojulios, así que hay que dividir ΔS° entre 1000.
Interpretación
| ΔG° | Significado |
|---|---|
| Negativo | Espontánea en sentido directo |
| Positivo | No espontánea; está favorecida la reacción inversa |
| Cero | Sistema en equilibrio |
Relación con la constante de equilibrio
ΔG° = −RT ln K, así que K = e^(−ΔG°/RT)
Un ΔG° muy negativo da una K enorme: la reacción está muy desplazada hacia los productos.
Ejemplo resuelto
Síntesis del amoniaco, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, con ΔH° = −92,2 kJ/mol y ΔS° = −198,7 J/(mol·K), a 25 °C:
- T = 298,15 K y TΔS° = −59,2 kJ/mol.
- ΔG° = −92,2 − (−59,2) = −33,0 kJ/mol: espontánea.
- K = e^(33.000 / (8,314 × 298,15)) ≈ 5,9 × 10⁵.
- Temperatura de inversión: ΔH°/ΔS° = 464 K, unos 191 °C. Por encima, ΔG° se vuelve positivo.
Los cuatro casos
| ΔH° | ΔS° | Espontaneidad |
|---|---|---|
| − | + | Siempre espontánea |
| + | − | Nunca espontánea |
| − | − | Espontánea a baja temperatura |
| + | + | Espontánea a alta temperatura |
La síntesis del amoniaco es del tercer tipo. Sin embargo, en el proceso Haber-Bosch se trabaja a unos 400 a 450 °C y altas presiones: la termodinámica empeora, pero la reacción es mucho más rápida y la presión desplaza el equilibrio hacia los productos. Es un compromiso entre termodinámica y cinética.
Espontánea no significa rápida
ΔG indica hacia dónde va una reacción, no a qué velocidad. El diamante es termodinámicamente menos estable que el grafito, pero su transformación es tan lenta que no se observa. La velocidad depende de la energía de activación, que estudia la cinética con la ecuación de Arrhenius.
Consejos
- Los valores de ΔH° y ΔS° se calculan con las tablas de entalpías de formación y entropías molares: productos menos reactivos.
- ΔG° se refiere a condiciones estándar (1 bar, 1 mol/L); en otras condiciones se usa ΔG = ΔG° + RT ln Q.