entropia, energia libre y equilibrio

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Entropía, energía libre y equilibrio Capítulo18 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

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Page 1: Entropia, energia libre y equilibrio

Entropía, energía libre

y equilibrio Capítulo18

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Page 2: Entropia, energia libre y equilibrio

Física espontánea y procesos químicos

• Una cascada corre cuesta abajo

• Un terrón de azúcar se disuelve en una taza de café

• El agua se congela a 1 atm, abajo de 0 °C y el hielo se funde

sobre0 °C

• El calor fluye de un objeto más caliente a un objeto más frío

• Un gas se expande en una bombilla al vacío

• El hierro expuesto al oxígeno y agua forma

herrumbre espontáneo

no espontáneo

18.2

Page 3: Entropia, energia libre y equilibrio

espontáneo

no espontáneo

18.2

Page 4: Entropia, energia libre y equilibrio

¿Una disminución en el entalpía significa que una

reacción procede espontáneamente?

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) DH0 = -890.4 kJ

H+ (ac) + OH- (ac) H2O (l) DH0 = -56.2 kJ

H2O (s) H2O (l) DH0 = 6.01 kJ

NH4NO3 (s) NH4+(ac) + NO3

- (ac) DH0 = 25 kJ H2O

Reacciones espontáneas

18.2

Page 5: Entropia, energia libre y equilibrio

La entropía (S) es una medida de la aleatoriedad o desorden

de un sistema.

orden S desorden S

DS = Sf - Si

Si el cambio de los resultados de inicial a final es un aumento en la

aleatoriedad

Sf > Si DS > 0

Para cualquier sustancia, el estado sólido es más ordenado

que el estado líquido y el estado líquido es más ordenado

que el estado gaseoso Ssólido< Slliquido<< Sgas

H2O (s) H2O (l) DS > 0 18.2

Page 6: Entropia, energia libre y equilibrio

Termodinámica

Las funciones de estado son propiedades que están

determinadas por el estado del sistema, sin tener en cuenta

cómo se logró esa condición.

La energía potencial del excursionista

1 y excursionista 2 es la misma

aunque ellos tomaron caminos

diferentes.

energía, entalpía, presión, volumen, temperatura

6.7

, entropía

Page 7: Entropia, energia libre y equilibrio

Procesos que

conducen a un

aumento en la

entropía (DS > 0)

18.2

Sólido Líquido

Líquido

Soluto Disolución

Disolvente

Sistema a T1 Sistema a T2 (T2 > T1)

Page 8: Entropia, energia libre y equilibrio

¿Cómo cambia la entropía de un sistema para cada uno

de los procesos siguientes?

(a) Condensación de vapor de agua

La aleatoriedad disminuye La entropía disminuye (DS < 0)

(b) Formación de cristales de sacarosa de una disolución

sobresaturada

La aleatoriedad disminuye La entropía disminuye(DS < 0)

(c) Calentamiento de hidrógeno gaseoso desde 600C a 800C

La aleatoriedad aumenta La entropía aumenta(DS > 0)

(d) Sublimación del hielo seco

La aleatoriedad aumenta La entropía aumenta(DS > 0)

18.2

Page 9: Entropia, energia libre y equilibrio

Primera ley de la termodinámica

La energía puede interconvertirse de una forma en otra,

pero no puede crearse ni destruirse.

Segunda ley de la termodinámica

La entropía del universo aumenta en un proceso

espontáneo y permanece inalterado en un proceso de

equilibrio.

DSuniverso = DSsistema + DSalrededor > 0 Proceso espontáneo:

DSuniverso = DSsistema + DSalrededor = 0 Proceso en equilibrio:

18.3

Page 10: Entropia, energia libre y equilibrio

Cambios de entropía en el sistema (DSsis)

aA + bB cC + dD

DS0 rxn dS0(D) cS0(C) = [ + ] - bS0(B) aS0(A) [ + ]

DS0 rxn nS0(productos) = S mS0(reactivos) S -

La entropía estandar de una reacción (DS0 ) es el

cambio de la entropía para una reacción llevada fuera a

1 atm y 250C.

rxn

18.3

¿Cuál es el cambio en la entropía estándar en la siguiente

reacción a 250C? 2CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g)

S0(CO) = 197.9 J/K•mol

S0(O2) = 205.0 J/K•mol

S0(CO2) = 213.6 J/K•mol

DS0 rxn = 2 x S0(CO2) – [2 x S0(CO) + S0 (O2)]

DS0 rxn = 427.2 – [395.8 + 205.0] = -173.6 J/K•mol

Page 11: Entropia, energia libre y equilibrio

Cambios de entropía en el sistema(DSsis)

18.3

Cuando los gases son producidos (o consumidos)

• Si una reacción produce más moléculas de gas que

las que consume, DS0 > 0.

• Si el número total de moléculas disminuye, DS0 < 0.

• Si ni hay cambio neto en el número total de

moléculas de gas , entonces DS0 puede ser positivo o

negativo PERO DS0 será un número pequeño.

¿Cuál es el signo del cambio de la entropía para la

reacción siguiente? 2Zn (s) + O2 (g) 2ZnO (s)

El número total de moléculas de gas baja , DS es negativo .

Page 12: Entropia, energia libre y equilibrio

Cambios de entropía en los alrededores (DSalred)

Proceso exotérmico

DSalred > 0

Proceso endotérmico

DSalred < 0

18.3

Alrededores Alrededores

Sistema Sistema Calor

Page 13: Entropia, energia libre y equilibrio

Tercera ley de la termodinámica

La entropía de una sustancia cristalina perfecta es cero en

el cero absoluto de temperatura.

18.3

Page 14: Entropia, energia libre y equilibrio

DSuniv = DSsis + DSalred > 0 Proceso espontáneo :

DSuniv = DSsis + DSalred = 0 Proceso en equilibrio :

La energía libre de Gibbs

Para un proceso de temperatura

constante:

DG = DHsis -TDSsis Energía libre

de Gibbs (G)

DG < 0 La reacción es espontánea en la dirección directa.

DG > 0 La reacción no es espontánea. La reacción es

espontánea en la dirección opuesta.

DG = 0 La reacción está en equilibrio.

18.4

Page 15: Entropia, energia libre y equilibrio

18.4

aA + bB cC + dD

DG0 reacción dDG0 (D) f cDG0 (C) f = [ + ] - bDG0 (B) f aDG0 (A) f [ + ]

DG0 reacción nDG0 (productos) f = S mDG0 (reactivos) f S -

La energía libre estándar de reacción (DG0 ) es el cambio

de energía libre en una reacción cuando se lleva a cabo en

condiciones estándar.

rxn

Energía libre estándar de

formación (DG0) es el cambio de

energía libre que ocurre cuando se

sintetiza 1 mol del compuesto a

partir de sus elementos que se

encuentran en estado estándar.

f

DG0 de cualquier elemento en su

forma estable es cero. f

Page 16: Entropia, energia libre y equilibrio

2C6H6 (l) + 15O2 (g) 12CO2 (g) + 6H2O (l)

DG0 rxn nDG0 (productos) f = S mDG0 (reactivos) f S -

¿Cuál es el cambio en la energía libre estándar para la

siguiente reacción a 25 0C?

DG0 reacción 6DG0 (H2O) f 12DG0 (CO2) f = [ + ] - 2DG0 (C6H6) f [ ]

DG0 reacción = [ 12x–394.4 + 6x–237.2 ] – [ 2x124.5 ] = -6405 kJ

¿Es la reacción espontánea a 25 0C?

DG0 = -6405 kJ < 0

espontánea

18.4

Page 17: Entropia, energia libre y equilibrio

DG = DH - TDS

18.4

Page 18: Entropia, energia libre y equilibrio

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

DH0 = 177.8 kJ

DS0 = 160.5 J/K

DG0 = DH0 – TDS0

At 25 0C, DG0 = 130.0 kJ

DG0 = 0 at 835 0C

18.4

La temperatura y espontaneidad de reacciones químicas

Page 19: Entropia, energia libre y equilibrio

La energía libre de Gibbs y transiciones de fase

H2O (l) H2O (g)

DG0 = 0 = DH0 – TDS0

DS = T

DH =

40.79 kJ

373 K

= 109 J/K

18.4

Velocidad de

evaporación

Velocidad de

condensación

Equilibrio

dinámico

establecido

Tiempo

Velo

cid

ad

Page 20: Entropia, energia libre y equilibrio

La energía libre de Gibbs y equilibrio químico

DG = DG0 + RT lnQ

R es la constante de gas (8.314 J/K•mol)

T es la temperatura absoluta (K)

Q es el cociente de reacción

En equilibrio

DG = 0 Q = K

0 = DG0 + RT lnK

DG0 = - RT lnK

18.4

Page 21: Entropia, energia libre y equilibrio

DG0 < 0 DG0 > 0

18.4

Page 22: Entropia, energia libre y equilibrio

DG0 = - RT lnK

18.4

Page 23: Entropia, energia libre y equilibrio

18.5

ATP + H2O + Alanina + Glicina ADP + H3PO4 + Alanilglicina

Alanina + Glicina Alanilglicina

DG0 = +29 kJ

DG0 = -2 kJ

K < 1

K > 1

Page 24: Entropia, energia libre y equilibrio

18.5