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ENERGÍA LIBRE DE GIBBS ESTÁNDAR DE FORMACIÓN.

La energía libre es una función de estado, y de la misma forma que para la entalpía, podemos tratar algebraicamente las ecuaciones químicas y las variaciones de energías libres asociadas a ellas.


Puesto que sólo tiene sentido termodinámico las variaciones de energía libre, debemos definir, como en el caso de la entalpía, unas condiciones normales o estándar, (251 C de temperatura y 1 atmósfera de presión) y asignar un valor cero de energía libre. Por convenio, asignamos el valor cero a la energía libre de formación de los elementos, en condiciones normales y en sus formas más estables.              Definimos la energía libre estándar de formación de un compuesto como el cambio de energía libre que acompaña al proceso de formación de un mol de dicho compuesto en su estado estándar, a  partir de sus elementos en sus estados estándar.

Energías libres de formación estándar, ΔG1f, de algunas sustancias.-

 

compuesto inorgánico

 

ΔG1f (KJ/mol)

 

compuesto orgánico

 

ΔG1f (KJ/mol)

 

H2O (g)

 

‑227,85

 

CH4

 

‑50,62

 

H2O (l)

 

‑236,4

 

C2H6

 

‑32,78

 

NH3 (g)

 

‑16,58

 

C3H8

 

‑23,41

 

HCl (g)

 

‑94,95

 

C4H10

 

‑15,65

 

HCl (aq)

 

‑130,73

 

CCl4

 

‑63,8

 

HBr (g)

 

‑53,04

 

CH4ON2 (urea)

 

‑196,49

 

HNO3 (l)

 

‑79,65

 

CH3OH

 

‑165,67

 

NaCl

 

‑382,76

 

CH3CH2OH

 

‑168,05

 

Na2SO4

 

‑1262,59

 

CH3COOH

 

‑391,15

 

CaCO3 (calcita)

 

‑1124,98

 

C2H2O4 (a. oxálico)

 

‑695,56

 

CaCl2

 

‑747,68

 

HCN (l)

 

120,93

 

Ca(OH)2

 

‑893,76

 

CS2 (g)

 

64,84

 

CO

 

‑136,81

 

CF4

 

‑633,01

 

CO2

 

‑393,06

 

CHCl3

 

‑66,72

 

La energía libre de formación estándar indica la tendencia que, a 1 atm de presión y 25 1C,  tienen los elementos a formar un determinado compuesto.

9.3. ENTALPÍA LIBRE ESTÁNDAR DE REACCIÓN.

La variación de la energía libre normal o estándar que acompaña a cualquier proceso puede determinarse, de modo semejante a como hacíamos para la ΔH1r,a partir de las energías libres estándar de formación de todas las sustancias que intervienen en la reacción.

ΔG1r = 3 (np A ΔG1f productos) - 3 (nr A ΔG1f reactivos)

donde nP y nr representan el número de moles de reactivos y productos, respectivamente.

SABER MÁS

RELACIÓN ENTRE LA ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR, G, Y LA PRESIÓN A LA QUE SE ENCUENTRA EL SISTEMA, P.

Hemos definido la variación de energía libre estándar, ΔG1, a la temperatura de 251C y a presión de 1 atmósfera; es obvio que la función energía libre, G, depende de la temperatura y presión a la que el sistema se encuentra sometido. Vamos a obtener la dependencia entre la función energía libre y la presión que soporta un sistema que sufre una reacción química. Ya sabemos que la energía libre puede obtenerse mediante la expresión:

                                                     G = H - TAS = U + PAV - TAS

si observamos una variación de la misma, resulta:

                                             ΔG = ΔU + PAΔV + vAΔP - TAΔS - SAΔT

a su vez:

                                                      ΔU = q + W = q + (-PAΔV)

y sustituyendo en ΔG:

                ΔG = q + (-PAΔV) + PAΔV + VAΔP - TAΔS - SAΔT = q + VAΔP - TAΔS - SAΔT

si igualamos el calor transferido por el sistema, q,  con el término TAΔs, queda finalmente:

                                                             ΔG = VAΔP - SAΔT

expresión que nos muestra cómo varía la energía libre con la presión y la temperatura a la que el sistema se encuentra. Si hacemos constante además la temperatura, la expresión se simplifica aún más:

                                                                   ΔG = VAΔP

si la variación de las funciones G y p se hace muy pequeña, hemos de admitir que el incremento de las mismas, Δ, se hace infinitesimal:

                                                                dG = VAdP (1)


Nota: un incremento infinitesimal de una magnitud es una variación tan pequeña de la misma que tiende a cero. El tratamiento de variaciones diferenciales de una función se realiza mediante el llamado Acálculo infinitesimal@. Necesariamente, tenemos que resolver la expresión (1) mediante el llamado Acálculo integral@, con el que el alumno se familiarizará en la asignatura de Matemáticas a lo largo del presente curso.

Si consideramos un sistema formado por un mol de gas ideal, la relación entre el volumen, v, y la presión es:

                                                                 V = (RAT) / P

y sustituyendo entonces el volumen en la expresión (1) queda:

                                                      dG = VAdP = [(RAT) / P]AdP

la ecuación se resuelve integrando entre el estado estándar, en el que la presión es la unidad y la función energía libre es G1 y cualquier estado de presión, con valor G para la función energía libre:

 

                                                   m(G1,G) dG = m(1,p) [(RAT) / P]AdP

resolviendo:

                                                             G - G1 = RATAln(P)

donde G es la energía libre para un mol de gas a cualquier presión, y G1 la energía libre para un mol de gas a la presión estándar. Si consideramos finalmente que el sistema está formado por n moles llegamos a la expresión que estábamos buscando; expresión extraordinariamente importante que es aplicada en numerosas situaciones de interés:

                                                       nAG = nAG1 + nARATAln(P)