¿Qué es la energía libre de Gibbs?

Conceptos básicos

La energía libre de Gibbs es un valor importante en termodinámica que permite predecir aspectos de una reacción química. En este tutorial aprenderemos por qué es importante la ecuación de la energía libre de Gibbs, y cómo resolver problemas en los que interviene. También definiremos qué es una reacción espontánea.

Temas tratados en otros artículos

• ¿Qué es el calor específico?
• Tipos de reacciones químicas
• Balanceando ecuaciones químicas
• Ley de los gases ideales
• Ecuación de la Ley de Hess
• Reacciones endotérmicas y exotérmicas

Vocabulario

• Reacción espontánea: reacción que se produce sin ninguna fuerza externa ejercida sobre el sistema, como la temperatura. 
• Entalpía (H): calor global de un sistema de reacción.
• Entropía (S): valor que describe el grado de desorden de un sistema; a mayor entropía, mayor desorden. Por ejemplo, un sólido se consideraría un sistema con orden (baja entropía), y un líquido o un gas tendrían más desorden (alta entropía). 
• Exergónica: cuando una reacción es espontánea.
• Endergónica: cuando una reacción no es espontánea.

Definición de reacción espontánea

Una reacción espontánea es una reacción que favorece la formación de los productos. Las reacciones que presentan una disminución de la energía y un aumento de la entropía serán espontáneas. El valor G, definido a continuación, ayudará a predecir si una reacción es espontánea. 

Es importante tener en cuenta que una reacción espontánea es aquella que se produce sin ninguna intervención externa o aporte prolongado de energía. Algunas reacciones espontáneas, por ejemplo H₂(g) + 1/2O₂(g)→H₂O(g), necesitan una chispa (un tipo de energía de activación) para que se inicie la reacción.

¿Qué es la energía libre de Gibbs?

La energía libre de Gibbs (G) es un valor que define el grado de espontaneidad de una reacción. Un valor negativo significa que la reacción es espontánea y un valor positivo significa que la reacción no es espontánea. Este valor es la combinación de la entalpía (H) y la entropía (S).

Sodio y agua en una reacción espontánea.

¿Qué es la ecuación de la energía libre de Gibbs?

• La energía libre de Gibbs, la entalpía y la entropía pueden relacionarse en una ecuación sencilla. En esta fórmula, G, H, y S se expresan con un ∆(delta), que indica el cambio de estos valores a lo largo de la reacción. La ecuación es la siguiente
•   
•    ΔG = ΔH – TΔS
• Para que esta ecuación sea cierta, debemos hacer dos suposiciones:
• La temperatura permanece constante a lo largo de la reacción. 
• La presión permanece constante a lo largo de la reacción.

Cómo resolver un problema de energía libre de Gibbs

Resolver un problema de energía libre de Gibbs puede ser fácil si se dan cada uno de los valores indicados en la fórmula. Empecemos con esta ecuación de reacción:

N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

¿Podemos determinar si esta reacción es espontánea? Estas son las condiciones dadas:

• T : 25℃
• ΔH : -90kJ/mol
• ΔS : -200kJ/molK

Importante: para que esta ecuación sea válida, la temperatura debe convertirse a Kelvin. Podemos convertir fácilmente Celsius a Kelvin añadiendo 273K a la temperatura en grados celsius para obtener su valor en grados Kelvin. En este caso, 273 + 25 =298K. Ahora que hemos convertido la temperatura, sólo tenemos que introducir estos valores en la ecuación.

ΔG = ΔH – TΔS

ΔG = -90kJ/mol – (298K)(-200kJ/molK)

ΔG = -90KJ/mol + 59600kJ/mol

ΔG = 59510KJ/mol

Dado que el valor ∆G es positivo, esta reacción no es espontánea, ni una reacción endergónica. 

Más ejemplos

Ahora que sabemos cómo utilizar la ecuación para hallar ΔG, podemos intentar más problemas que envuelvan  ΔG. Específicamente, si se da ΔG, podemos resolver para cualquiera de las otras variables en la ecuación. Intentemos resolver para ΔS en el siguiente problema.

NH₄NO₃(s) + H₂O(l) → NH₄⁺(aq) + NO₃-(aq)

Aquí están las condiciones dadas:

• T : 25℃
• ΔH : 28kJ/mol
• ΔG : -4.4kJ/mol

Empezamos rearreglando la ecuación para resolver para ΔS.

ΔG = ΔH – TΔS

ΔG + TΔS = ΔH

TΔS = ΔH – ΔG

ΔS = (ΔH – ΔG) / T

Ahora que hemos resuelto para  ΔS, podemos introducir nuestros valores en la ecuación. De forma similar al último problema, debemos convertir la temperatura a Kelvin, que es de nuevo 298K en este ejemplo.

ΔS = [298kJ/mol – (-4.4kJ/mol)] / 298K

ΔS = 32.4kJ/mol / 298K

ΔS = 0.11kJ/molK = 110J/molK

Para más ayuda, vea nuestro vídeo interactivo que explica la energía libre de Gibbs.

Y otro que explica la relación entre la constante de velocidad y la energía libre de Gibbs.

Problemas prácticos sobre la energía libre de Gibbs

Problema 1

Si una reacción tiene un cambio negativo de entalpía y es exergónica a determinadas temperaturas, ¿el cambio de entalpía es positivo o negativo?

Problema 2

Considere la síntesis elemental de agua:

H₂ + 1/2O₂ → H₂O

• T : 60℃
• ΔH : -290kJ/mol
• ΔS : -90J/molK

Calculate ΔG.

Soluciones a problemas prácticos de energía libre de Gibbs

Problema 1

1: El cambio en entalpía tiene que ser negativo:.

2: ΔG = -260kJ/mol

Lecturas complementarias

• Resolución de problemas de estequiometría
• Cálculo de la masa molar
• ¿Qué son los enlaces de hidrógeno?
• Sólidos, Líquidos y Gases