La energía de Gibbs y la espontaneidad

La energía de Gibbs o energía libre de Gibbs, es un concepto de gran importancia tanto para la termodinámica como para la físico-química. Se trata de una medida que nos indica la cantidad de energía que puede ser utilizada por un sistema para realizar un trabajo. Si nos centramos en la segunda ley de la termodinámica, podemos decir que los cambios de la energía libre de Gibbs pueden ser utilizados para realizar una predicción sobre la espontaneidad que puede tener una reacción o si ésta se encuentra en equilibrio.

La energía libre de Gibbs permite predecir la espontaneidad de una reacción

La energía de Gibbs permite predecir la espontaneidad de una reacción. Imagen de thougtco

A continuación, describiremos a la energía libre de Gibbs y definiremos a la espontaneidad y cómo predecirla basándonos en los cambios de la energía de Gibbs.

Tabla de contenidos

Energía de Gibbs

Definición de energía de Gibss. Image de youtube

Uno de los conceptos más simples que se pueden dar sobre la energía de Gibbs o energía libre de Gibbs es el siguiente:

Es toda aquella energía que puede utilizarse para realizar un trabajo

Se trata de un potencial termodinámico o una función de estado termodinámico que nos permite estimar la condición de equilibrio y la espontaneidad para una reacción química a condiciones de presión y temperatura constante y se expresa con la letra “G”. La energía libre de Gibbs relaciona la tendencia de un sistema físico o químico al reaccionar ante cambios de entropía, energía y temperatura.

Basándonos en la segunda ley de la termodinámica, podemos decir que se requiere algún tipo de medida que pueda representar al efecto de una reacción en la entropía del universo. Esta medida debe incluir al sistema en estudio y a sus alrededores. Estos dos factores convergen en un solo valor que se conoce como energía de Gibbs o energía libre de Gibbs.

Las variables involucradas en una reacción química (temperatura, entalpía, entropía, volumen, energía y presión) fueron relacionadas en una ecuación de primer orden, que fue presentada por J. Williars Gibbs. Esta relación fue originalmente conocida como “Regla de las Fases” y luego conocida como la ecuación de Gibbs, y puede ser representada matemáticamente de la siguiente manera:

ΔG=ΔH-TΔS

Donde:

ΔG: Es el cambio de energía de Gibbs
ΔH: Representa el cambio de entalpía
T: Temperatura
ΔS: Cambio de entropía

Podemos complementar la definición de la siguiente manera:

La energía libre de Gibbs de un sistema que se encuentra en estudio, representa una medida o un valor de la cantidad de energía que puede ser utilizada por dicho sistema para poder realizar un trabajo. Esta energía provee información necesaria para predecir la espontaneidad de una reacción.

Cambio de energía de Gibbs

Diagrama de espontaneidad de las reacciones

Predicción de la espontaneidad de las reacciones utilizando la energía de Gibbs. Imagen de clutch

El cambio de energía de Gibbs es la variación de energía libre de un sistema, de un estado termodinámico a otro. El valor de la variación de la energía libre representa la máxima cantidad de energía liberada, la cual, puede ser utilizada por el sistema (absorbida) al ir de un estado inicial a un estado final. Esta variación de energía libre, se expresa matemáticamente de la siguiente manera:

Cuando se trabaja con energía de Gibbs o se utiliza la ecuación de Gibbs, se deben tomar ciertas consideraciones como que el sistema se encuentra a presión y temperatura constante.

La interpretación del cambio de energía de Gibbs o energía libre de Gibbs es muy importante, ya que nos proporciona información sobre la espontaneidad de una reacción, es decir, nos indica si una reacción puede darse o no, sin tener que adicionar energía de los alrededores.

Espontaneidad de un proceso o de una reación

Cuadro explicativo de la espontaneidad de las reacción en función del cambio de entropía

Espontaneidad de las reacciones según el cambio de entropía. Imagen de khanacademy

Podemos decir que un proceso es espontáneo cuando éste ocurre sin la intervención de energía de sus alrededores (energía externa). Los procesos espontáneos pueden ser veloces o extremadamente lentos, por lo tanto, no se relacionan directamente con la cinética de la reacción. Otra característica destacable de los procesos espontáneos es que pueden ser dados por reacciones exotérmicas o endotérmicas, en otras palabras, los procesos espontáneos no se relacionan necesariamente con los cambios de entalpía del sistema.

Para conocer la espontaneidad de un proceso o de una reacción, hay que tener en cuenta que cualquier proceso espontáneo debe aumentar la entropía del universo (segunda ley de la termodinámica), es decir:

El único inconveniente es que medir los cambios de entropía del universo es bastante engorroso y poco práctico, es por esta razón, que en ingeniería química se centra la atención sobre el sistema en estudio, lo que facilita los cálculos y permite ahorrar tiempo. Para esto se utiliza la energía de Gibbs. La ecuación de Gibbs permite estudiar los cambios de energía en un sistema específico de estudio y no de manera global (en el universo).

Observar los cambios de energía libre de Gibbs de un sistema (cambio de energía entre los productos y los reactivos de una reacción química), nos permite estimar si una reacción puede darse de manera espontánea. El signo que tenga el valor de la variación de energía de Gibbs entre dos estados (final e inicial), nos indicará si una reacción es espontánea en un sentido o en el otro (si la reacción se encuentra en equilibrio). Se puede explicar mejor de esta manera:

Valor de ΔG negativo (ΔG < 0): La reacción es espontánea en el sentido de la formación de productos (exergónico).
Valor de ΔG positivo (ΔG > 0): La reacción es espontánea en el sentido de la formación de reactivos, es decir, la formación de productos no es espontánea (endergónico).
Valor de ΔG nulo (ΔG = 0): La reacción se encuentra en equilibrio y las concentraciones permanecen constantes tanto para reactivos como para productos.

Podemos decir entonces lo siguiente:

Si un proceso es exotérmico y su variación de entropía es mayor a cero, la variación de la energía de Gibbs será negativa para cualquier valor de temperatura, por lo tanto, el proceso siempre será espontáneo.
Para la situación contraria con una variación de entropía menor a cero y un proceso endotérmico, la variación de la energía de Gibbs es positiva para cualquier valor de temperatura, por lo tanto, el proceso nunca será espontáneo.

También, pueden darse otras combinaciones de variación de entropía y de entalpía en un sistema. Sin embargo, para este tipo de procesos, la variación de la energía de Gibbs dependerá de la temperatura de la siguiente manera:

En las reacciones exotérmicas con variación de entropía negativa, los procesos son espontáneos a bajas temperaturas.
En las reacciones endotérmicas con variación de entropía positiva, los procesos son espontáneos a temperaturas elevadas.

Conclusiones

Con lo anteriormente expuesto sobre la energía libre de Gibbs, podemos concluir lo siguiente:

La entropía del universo se incrementa en sistemas espontáneos (segunda ley de la termodinámica).
La energía de Gibbs a presión y temperatura constante, se expresa mediante la ecuación de Gibbs.
Un proceso o reacción será espontáneo, si la variación de la energía Gibbs es negativa.
La espontaneidad puede ser una relación directa de la temperatura.