En la naturaleza hay muchas reacciones químicas que son espontáneas. ¿Qué queremos decir con reacción espontánea? Significa que, una vez que comienza la reacción, se ejecuta sola, sin un suministro de energía externo hasta que los reactivos se agoten o el reactivo limitante se agote, si lo hay. Podemos visualizar fácilmente la espontaneidad de un proceso si imaginamos que hacemos rodar una pelota por una pendiente: una vez que comienza a rodar, no se detendrá justo en el medio de la pendiente, sino que continuará moviéndose hasta que alcance un área plana en la que pierde Su energía cinética por fricción. Una reacción espontánea, similar a la pelota, no se detendrá hasta que los reactivos se transformen completamente en productos.
Estos procesos espontáneos también son irreversibles, lo que significa que no pueden revertirse sin la entrada de energía externa. Los productos no se recombinan espontáneamente para devolver los reactivos, ya que la bola una vez que está en el suelo plano, no vuelve a iniciar la pendiente solo (a menos que le demos una patada, que ya sería una entrada de energía externa, también conocido como un proceso no espontáneo) .
Por lo tanto, como decimos, en la naturaleza hay muchos procesos espontáneos: la expansión de un gas, la oxidación del hierro … Ahora, ¿cómo podemos saber si un proceso dado es espontáneo o no? ¿Qué criterios termodinámicos debemos utilizar? Usamos el concepto de entalpía.
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Podríamos pensar que una reacción exotérmica que emite calor al entorno siempre es espontánea, ya que los sistemas tienden a un mínimo de energía, y en las reacciones exotérmicas los productos tienen menos energía que los reactivos (como se ve en el diagrama). Es cierto que muchas reacciones espontáneas son exotérmicas y la mayoría de las reacciones exotérmicas son espontáneas; Sin embargo, este no es siempre el caso. Hay reacciones exotérmicas que no son espontáneas a ciertas temperaturas, y las reacciones endotérmicas sí lo son.
Por lo tanto, el criterio de energía, el signo del cambio de entalpía ΔH, no es suficiente por sí solo para decidir si un proceso es o no espontáneo, porque en realidad, si consideramos todo el entorno del sistema, la energía siempre se conserva.
Por lo tanto, para determinar la espontaneidad o no espontaneidad de una reacción química, es necesario introducir una variable termodinámica que aún no habíamos discutido, que es la entropía, S. La entropía es una función de estado extensa (depende solo de la inicial y estados finales y sobre la cantidad total de materia), cuyas unidades son generalmente J / K · mol. Podemos definir la entropía como una medida del trastorno microscópico de un sistema. Por lo tanto, la variación de la entropía global de un sistema será:
ΔS = Esfinal – Sinitial
Y tenemos,
ΔS> 0 Aumento del trastorno.
ΔS <0 Disminución del trastorno.
Un sistema desordenado tiene una entropía alta, mientras que un sistema muy ordenado tiene una entropía baja. Por ejemplo, si consideramos los tres estados de agregación del agua, su entropía es:
SsolidH2O = 44,8 J / K · mol <SliquidH2O = 69,9 J / K · mol <SvaporH2O = 188,8 J / K · mol
En general:
Ssolid <Sliquid <Sgas
En un sistema aislado de volumen constante (que no puede intercambiar materia o energía con el entorno) ese proceso en el que hay un aumento de la entropía, ocurrirá espontáneamente; Este es el proceso en el que aumenta el trastorno.
En general, los sistemas tienden a aumentar el desorden. Es por esta razón que hay reacciones endotérmicas que son espontáneas; reacciones que, por criterios energéticos, no deberían ocurrir espontáneamente, sin embargo, sí ocurren de esta manera, porque durante el mismo, la entropía aumenta considerablemente.
Finalmente, una reacción endotérmica ocurrirá espontáneamente cuando las condiciones de presión, temperatura y naturaleza de las sustancias que reaccionan, permitan un aumento de la entropía del sistema.
