Conceptos clave

1. Espontaneidad:

 Un proceso espontáneo es un proceso que tiene una tendencia natural a producirse sin tener que ser realizado por una influencia externa. El proceso reverso a un cambio espontaneo es no espontaneo. Él punto en el que cambia el sentido de la espontaneidad es en el punto de equilibrio.

Tema 10 “Termoquímica y espontaneidad”. Química General. Clase B. Cursos 1993/94 – Universidad de Alcala (UAH). http://www2.uah.es/edejesus/resumenes/QG/Tema_10.pdf.

1. Proceso reversible e irreversible:

• Proceso reversible:

“Un sistema cambia de tal forma que el sistema y el entorno pueden volver a sus estados originales, revirtiendo exactamente el cambio”

• Proceso Irreversible:

“No puede simplemente revertirse para restablecer al sistema y a su entorno a sus estados originales”

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B y Murphy, C. (2009). “Termodinámica Química”. En Química la Ciencia Central. México: PEARSON EDUCACIÓN (pp.805). 

1. Entropía:

“Medida del grado de dispersión de la energía en un sistema entre las diferentes posibilidades en que ese sistema puede contenerla” (Chang 2013: 780-781).Es una función de estado; y gracias a esta podemos predecir si es un proceso espontáneo, reversible o no espontáneo. Se calcula con las siguientes fórmulas, tomando como S la entropía:

ΔS_universo = ΔS_entorno+ ΔS_sistema

ΔS_sistema = ΔS_{sistema =} ∑ nS°_productos – ∑ mS°_reactivos

     Donde n y m son sus coeficientes

ΔS_entorno=- ΔH/T                          

            Donde  ΔH es la entalpía del entorno y T la temperatura en grado Kelvin       

Chang, R. Y Goldsby K. (2013). “Entropía, energía libre y equilibrio”. En Química. México: McGraw Hill Education. (pp780-781).

1. Segunda Ley de la Termodinámica:

“La entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio”. Matemáticamente, la segunda ley de la termodinámica se puede expresar:

• Para un proceso espontáneo:

 ΔS_universo = ΔS_alrededores+ ΔS_sistema>0

• Para un proceso en equilibrio:

      ΔS_universo = ΔS_alrededores+ ΔS_sistema=0

Chang, R. Y Goldsby K. (2013). “Entropía, energía libre y equilibrio”. En Química. México: McGraw Hill Education. (pp785).

1. Microestados:

Es un solo arreglo posible  de las posiciones y energías cinéticas de las moléculas de gas cuando este se encuentra en un estado termodinámico específico. Su relación entre microestados y entropía se registra en la ecuación de Boltzmann:

Fuente: http://cienciasdejoseleg.blogspot.com/2013/03/entropia-estandar.html

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B y Murphy, C. (2009). “Termodinámica Química”. En Química la Ciencia Central. México: PEARSON EDUCACIÓN (pp.810-811).

1. Tercera Ley de la Termodinámica:

“La entropía de una sustancia cristalina pura en el cero absoluto es cero”. Debido a que en esas condiciones los movimientos moleculares son mínimos y el número de microestados es uno. En base de la ecuación de Boltzmann se demuestra

                S=KlnW, como W=1

                S=Kln1=0

 Chang, R. Y Goldsby K. (2013). “Entropía, energía libre y equilibrio”. En Química. México: McGraw Hill Education. (pp789).

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B y Murphy, C. (2009). “Termodinámica Química”. En Química la Ciencia Central. México: PEARSON EDUCACIÓN (pp.816).

1. Energía Libre de Gibbs:

Es la energía liberada por un sistema para realizar trabajo útil a presión constante, es utilizada a fin de  determinar la espontaneidad de una eracción de una más directa. Está representada en la siguiente ecuación:

 

ΔG° = ∑ΔG°_productos – ∑Δ°_Greactantes

                                         ∆G = ∆H – T∆S

Donde:

∆G es la variación de la energía libre

∆H es la entalpía

T es la temperatura

∆S es la entropía

            La relación entre signo de ∆G y la espontaneidad es la siguiente:

• Si ∆G es negativo, la reacción es espóntanea en el sentido directo.
• Si ∆G es cero, la reacción está en equilibrio.
  • Si ∆G es positivo, la reacción es el sentido directo, no es espontánea;   es necesario que el entorno realice un trabajo para que esta ocurra. Sin embargo, la reacción inversa será espontánea.

Brown, T., LeMay, E., Bursten, B y Murphy, C. (2009). “Termodinámica Química”. En Química la Ciencia Central. México: PEARSON EDUCACIÓN (pp.820).

Enríquez García, R. “Energía Libre y Espontaneidad”. Proyecto INFOCAB SB 202507. http://prepa8.unam.mx/academia/colegios/quimica/infocab/unidad118.html

 Ejemplo aplicativo:

Este ejemplo aplicativo ilustra al concepto de entropía y espontaneidad, dado que aplica todo lo aprendido en esta sesión.

Este ejemplo describe la combustión del propano el cual es inflamable, ya que al mínimo contacto con un agente reactivo como un palito de fosforo encendido podría generar desde incendios hasta explosiones de gran magnitud.

Para este caso la presión es despreciable, ya que la reacción se puede llevar a cabo en cualquier ambiente cercano o remoto al nivel del mar.

A continuación, se presencia la ecuación de combustión del propano

C₃H_8(g)   +  5O_2(g)         =          3CO_2(g)  +  4H₂O_{(l)     ▲H=?kJ/mol}

_{▲H=▲Hproductos-▲Hreactivos}

_{▲H= (3*(-393.5kJ/mol)+4*(-285.8kJ/mol))-(-103.8kJ/mol+5(0kJ/mol))}

_{▲H=-2219.9kJ/mol                                        ▲H<0  Esto significa que libera calor.}

 

C₃H_8(g) + 5O_2(g)        =           3CO_2(g) + 4H₂O_{(l)  ▲H=-2219.9kJ/mol}

Para determinar la espontaneidad del proceso llevado a cabo en la reacción se calculara su entropía de formación de la siguiente manera:

_{▲Ssist=▲Sproductos-▲Sreactivos}

_{▲Ssist= (3(213.8J/mol K)+4(70J/mol K ))-(5(205.2J/mol K)+270.3J/mol K )}

_{▲Ssist= -374.9J/mol K}

_{▲Sent= -▲Hsist/T=-((-2219.9kJ/mol)/298K)= 7.449 kJ/mol K *1000J/1kJ=7449.3 J/mol K}

_▲Sent>0                                           

_{▲Sent+▲Ssist= ▲Suniv}

_{▲Suniv = (7449.3-374.9) J/mol K}

_{▲Suniv=7074.4J/mol K                                         ▲Suniv>0   :  El proceso fue espontaneo}

_{Se cumple la segunda ley de la termodinámica.}

ΔG°=(3(-394.4kJ/mol)+4(-237.1kJ/mol))-(-23.4kJ/mol+5(0))=-2110.6 kJ/mol

ΔG°<0: La reacción es espontánea

_{Además se cumple la convención sugerida en la relación de entropía, entalpía y energía libre de Gibbs que “si ▲H<0 y  ▲Suniv>0, entonces ▲G<0 será siempre independientemente de la temperatura”}[1]                     

A continuación se muestra imágenes de su uso en la vida diaria.

Para el presente caso, el propano es útil para ser vendido en balones de gas para cocinar toda clase de alimentos que requieran cocción tales como el pollo a la olla, el lomo saltado y entre otros.