Equilibrio quimico

Energía libre de Gibbs
En termodinámica, la energía libre de Gibbs (o energía libre) es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).
La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que laentropía del universo aumente, ΔSuniverso > 0, así mismo ΔSuniverso esta en función de ΔSsistema y ΔSalrededores. Por lo general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de ΔSalrededores puede ser complicado.
Por esta razón fue necesario otra función termodinámica, la energía libre de Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontáneatomando en cuenta solo las variables del sistema.

Cálculo de la energía libre de Gibbs

Los cambios en la energía libre
Contenido de calor; T es la temperatura y S es la entropía del sistema. Fue desarrollada en los años 1870 por el físico-matemático estadounidense Williard Gibbs.

Cambios de energía libre estándar

La energía libre de reacción, se denota, [pic], es elcambio de energía en una reacción a condiciones estandares. En esta reacción los reactivos en su estado estandar se convierten en productos en su estado estandar.
Dada la siguiente ecuación química:
[pic]
La energía libre se calcula como
[pic]
Donde A y B son los reactivos en estado estandar y; C y D son los productos en su estado estandar. Además a, b, c y d son sus respectivoscoeficientes estequiométricos.
en general:
[pic]
donde m y n son los coeficientes estequiométricos.
Así como en en el cálculo de la entalpía, en la energía libre estándar de formación para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25ºC) es 0
La variación de energía libre de Gibbs para un proceso a temperatura constante viene dada por:
[pic]
La temperatura puede ser un factordeterminante a la hora de hacer que un proceso sea espontáneo o no lo sea.

Significado de [pic]

• La condición de equilibrio es [pic]
• La condición de espontaneidad es [pic]
• El proceso no es espontáneo cuando: [pic]
(esta última condición nos dice que la reacción no se producirá).
La energía de Gibbs molar parcial, es lo que se conoce con el nombre de potencialquímico, que es lo que se maneja en cálculos termodinámicos en equilibrio, ya que el equilibrio químico entre dos sistemas implica la igualdad de potenciales químicos y su uso facilita los cálculos.
• Energía libre de Helmholtz
(también denominada función de Helmholtz o función trabajo) es una magnitud extensiva del sistema, función de estado y potencial termodinámico y que, por tanto, nodepende del proceso sufrido, sino del estado final e inicial del sistema. Se usa para ver que procesos son espontáneos en condiciones de temperatura y volumen constantes.

Propiedades de la Energía Libre de Helmholtz

Se mide en julios [J], calorías [cal] ó cualquier otra unidad de energía. Sus variables canónicas con la temperatura T y volúmen V del sistema. Además, se suele simbolizar con laletra A, del alemán Arbeit que significa trabajo.
[pic]
Definición total
(1) A = U − TS
Donde
U = Energía interna
S = Entropía
Definición diferencial
(2) dA = − SdT − PdV
Donde
P = Presión del sistema

Otros datos importantes

Se relaciona con la energía libre de Gibbs mediante la expresión
(3)
dG = dA + d(PV)
Notar de la ecuación (1), que de la Primera leyde la termodinámica
ΔU = Q − W = Δ(TS) + ΔA
Donde
ΔU = variación de energía interna del sistema
Q = calor recibido por el sistema
W = trabajo realizado por el sistema
Siendo:
[pic]el calor reversible (es decir, que se puede evacuar o recuperar del sistema cuantas veces se quiera, sin requerir un gasto extra de energía en este proceso).
Integrando a T constante:...