15: Termodinámica de Equilibrios Químicos
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Tratar de introducir la termodinámica química a los alumnos principiantes siempre es problemático; para hacerlo “correctamente” se requiere un grado de rigor que rara vez tiene éxito por más de una pequeña fracción de la clase. Aunque un desarrollo formal completo rara vez es apropiado en este nivel, creo que el valor de desarrollar la comprensión de los conceptos fundamentales por parte de los estudiantes es generalmente subestimado. Esto requiere cierta comprensión de las formas en que la energía térmica se dispersa en la materia, algo que no forma parte de la termodinámica clásica y que no está respaldado por la mayoría de los libros de texto, sino que está en consonancia con el enfoque molecular de la ciencia química moderna.
El valor de equilibrio para una reacción reversible es una cantidad importante que caracteriza a una reacción química, pero ¿qué factores gobiernan su valor? En particular, ¿hay alguna manera de predecir el valor de la constante de equilibrio de una reacción únicamente a partir de información sobre los propios productos y reactivos, sin ningún conocimiento del mecanismo u otros detalles de la reacción? La respuesta es sí, y este resulta ser el propósito central de la termodinámica química:
El propósito de la termodinámica es predecir la composición de equilibrio de un sistema a partir de las propiedades de sus componentes.
No dejes pasar el significado de esto; significa que podemos decir con total certeza si un cambio dado es posible o no, y si es posible, en qué medida ocurrirá, sin la necesidad de estudiar la reacción particular en cuestión. En gran medida, esto es lo que hace de la química una ciencia, más que una mera catalogación de hechos.
- 15.1: La dispersión de energía impulsa el cambio espontáneo
- Los procesos que proceden en una dirección definida cuando se dejan a sí mismos y en ausencia de cualquier intento de conducirlos a la inversa, se conocen como cambios espontáneos del procesador natural. En muchos casos nuestras experiencias cotidianas nos enseñan la dirección en la que puede ocurrir el cambio espontáneo, y cualquier cosa que vaya en contra de estas expectativas es inmediatamente percibida como extraña.
- 15.2: Reglas de Entropía
- Anteriormente, explicamos cómo la tendencia de la energía térmica a dispersarse lo más ampliamente posible es lo que impulsa todos los procesos espontáneos, incluyendo, por supuesto, las reacciones químicas. Ahora necesitamos entender cómo la dirección y el alcance de la difusión y distribución de la energía pueden relacionarse con las propiedades termodinámicas medibles de las sustancias, es decir, de los reactivos y productos.
- 15.3: La Segunda Ley de la Termodinámica
- La Primera Ley de la termodinámica, expresada como ΔU = q + w, es esencialmente una declaración de la ley de conservación de la energía. El significado de esta ley es que nos dice que cualquier proceso propuesto que viole esta condición puede ser descartado como imposible, sin siquiera indagar más en los detalles del proceso.
- 15.4: Energía Libre y la Función Gibbs
- En esta unidad se introduce una nueva función termodinámica, la energía libre, que resulta ser el criterio más útil para predecir la dirección de una reacción química y la composición del sistema en equilibrio. Como explicaremos cerca de la parte inferior de esta página, el término “energía libre”, aunque todavía se usa ampliamente, es bastante engañoso, por lo que a menudo nos referiremos a él como la “función Gibbs” o “energía Gibbs”.
- 15.5: Termodinámica de Mezcla y Dilución
- Esta lección va un poco más allá de lo que se cubre en la mayoría de los cursos de primer año, y generalmente puede ser omitida por estudiantes en cursos de iniciación no honores. Los conceptos que aquí se presentan no son especialmente complicados, pero en realidad no se vuelven esenciales hasta que uno entra en cursos más avanzados en química, fisiología y temas similares.
- 15.6: Energía Libre y Equilibrio
- Bajo condiciones de temperatura y presión constantes, el cambio químico tenderá a ocurrir en cualquier dirección que conduzca a una disminución en el valor de la energía libre de Gibbs. En esta lección veremos cómo G varía con la composición del sistema a medida que los reactivos se transforman en productos. Cuando G cae lo más lejos que puede, todo cambio neto llega a un alto. La composición de equilibrio de la mezcla está determinada por ΔG° que también define la constante de equilibrio K.
- 15.7: Algunas aplicaciones de la entropía y la energía libre
- La termodinámica puede parecer al principio como un tema bastante esotérico, pero cuando se piensa en ello, casi todos los procesos químicos (y biológicos) se rigen por cambios en la entropía y la energía libre. Ejemplos como los que se dan a continuación deberían ayudarte a conectar estos conceptos con el mundo real.
- 15.8: Estados cuánticos, microestados y difusión de energía en reacciones
- La entropía (S) es una función de estado cuyo valor aumenta con un incremento en el número de microestados disponibles.Para un sistema dado, cuanto mayor sea el número de microestados, mayor será la entropía. Durante un proceso espontáneo, la entropía del universo aumenta.