Calculadora de energía libre de Gibbs

Resultados

ΔH y ΔS son ambos positivos: el proceso es espontáneo por encima de la temperatura de cruce y no espontáneo por debajo de ella.

Si ΔH y ΔS son valores estándar (ΔH°, ΔS°), entonces ΔG° = ΔG y la constante de equilibrio es K = 0,03127 (log₁₀ K = -1,505) a esta temperatura.

Cómo usar la calculadora de energía libre de Gibbs

1. 1. Elige el modo. Usa «ΔG a partir de ΔH y ΔS» para preguntas de espontaneidad y temperatura, o «ΔG° y la constante de equilibrio» para relacionar la energía libre con K y Q.
2. 2. Elige la incógnita e introduce el resto. La entalpía y la energía libre pueden darse en kJ/mol, J/mol, kcal/mol o cal/mol; la entropía en J/(mol·K), kJ/(mol·K) o cal/(mol·K); y la temperatura en K, °C o °F. Las entradas mixtas de kJ y J se convierten por ti.
3. 3. Lee el veredicto. El resultado indica si ΔG es negativo (espontáneo), positivo (no espontáneo) o cero (en equilibrio), da la temperatura de cruce en la que cambia y dibuja la recta.
4. 4. Sigue el cálculo. Cada conversión y sustitución aparece escrita, con la constante de los gases exacta R = 8,314 462 618 J/(mol·K) en el modo de equilibrio.

Las ecuaciones

ΔG = ΔH − TΔS

T = ΔH / ΔS  (donde ΔG = 0)

ΔG° = −RT ln K

ΔG = ΔG° + RT ln Q

ΔG es la variación de la energía libre de Gibbs a temperatura y presión constantes. Un ΔG negativo significa que el proceso puede ocurrir espontáneamente, un ΔG positivo significa que no puede ocurrir sin trabajo externo, y ΔG = 0 significa equilibrio. La espontaneidad en este sentido no dice nada sobre la velocidad: el diamante que se convierte en grafito es espontáneo y tarda tiempo geológico. T debe ser la temperatura absoluta en kelvin; la calculadora convierte los grados Celsius o Fahrenheit y rechaza cualquier valor igual o inferior a 0 K.

¿Cuándo es espontánea una reacción?

Esta es la misma clasificación que da Chemistry 2e de OpenStax en su capítulo sobre energía libre. La temperatura de cruce separa los regímenes «bajo» y «alto»; solo tiene sentido cuando ΔH y ΔS tienen el mismo signo. Supone que ΔH y ΔS se mantienen constantes con la temperatura, lo cual es una buena aproximación en un intervalo moderado pero no en uno amplio: los ΔH y ΔS de una reacción real varían, así que el resultado es una estimación.

Ejemplos desarrollados

Agua vaporizándose a 298,15 K (los datos por defecto). Con ΔH° = 44,01 kJ/mol y ΔS° = 118,8 J/(mol·K), ΔG = 44.010 − 298,15 × 118,8 = 8.589,8 J/mol, que es 8,590 kJ/mol. Es positivo, así que el agua líquida no hierve espontáneamente a 25 °C y 1 bar. El cruce es 44.010 ÷ 118,8 = 370,5 K (97,3 °C), cerca del punto de ebullición real del agua, 373,15 K; la diferencia existe porque ΔH y ΔS no son exactamente constantes.

Hielo derritiéndose a 263,15 K (−10 °C). ΔH = 6,01 kJ/mol y ΔS = 22,0 J/(mol·K) dan ΔG = 6.010 − 263,15 × 22,0 = +0,221 kJ/mol. Es positivo, así que el hielo no se derrite a −10 °C; lo haría a cualquier temperatura por encima de 273,2 K.

K a partir de ΔG°. Para ΔG° = 55,7 kJ/mol a 298,15 K, ln K = −55.700 ÷ (8,314 462 618 × 298,15) = −22,47, así que K = 1,74 × 10⁻¹⁰ — el producto de solubilidad del cloruro de plata, como en el ejemplo resuelto de OpenStax. El camino inverso también funciona: K = 1,0 × 10⁵ a 298,15 K significa ΔG° = −RT ln K = −28,5 kJ/mol.

ΔG fuera del equilibrio. Con ΔG° = −20,0 kJ/mol y un cociente de reacción Q = 50,0 a 298,15 K, ΔG = −20.000 + 2.478,96 × ln 50,0 = −10,3 kJ/mol. Es negativo, así que la reacción avanza hasta que Q sube hasta K.

Errores comunes

• Restar kJ de J. ΔH suele darse en kJ/mol y ΔS en J/(mol·K). Convierte una de las dos antes de calcular TΔS; la calculadora lo hace a partir de los menús de unidades. Olvidarlo es el error clásico que hace que TΔS parezca mil veces menor de lo que es.
• Usar Celsius para T. T en ΔG = ΔH − TΔS va en kelvin. 25 °C son 298,15 K.
• Confundir ΔG con ΔG°. ΔG° se aplica a las condiciones estándar (1 bar para gases, 1 mol/L para solutos) y da K. ΔG se aplica a la mezcla real y depende de Q.
• Leer «espontáneo» como «rápido». ΔG indica si un proceso puede ocurrir, no con qué rapidez. Las velocidades son asunto de la cinética; véase la Calculadora de la ecuación de Arrhenius.
• Confiar demasiado en la temperatura de cruce. Supone ΔH y ΔS constantes. Úsala como estimación, sobre todo lejos de 298 K.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la fórmula de la energía libre de Gibbs?

ΔG = ΔH − TΔS, donde ΔH es la variación de entalpía, T la temperatura absoluta en kelvin y ΔS la variación de entropía. En condiciones estándar se escribe ΔG° = ΔH° − TΔS°. Ambos términos de energía deben estar en la misma unidad antes de restar.

¿Cómo sé si una reacción es espontánea a partir de ΔG?

Si ΔG es negativo, la reacción es espontánea en el sentido directo; si es positivo, lo es el sentido inverso; si es cero, el sistema está en equilibrio. Espontáneo significa termodinámicamente favorecido, no rápido.

¿A qué temperatura se vuelve espontánea una reacción?

Iguala ΔG a 0 y despeja: T = ΔH ÷ ΔS. Usa la tabla de signos: cuando ambos son positivos, la reacción es espontánea por encima de esa temperatura; cuando ambos son negativos, lo es por debajo. Si los signos difieren, no existe tal temperatura.

¿Cómo se relaciona ΔG° con la constante de equilibrio?

ΔG° = −RT ln K, así que K = e^(−ΔG°/RT). Un ΔG° negativo da K mayor que 1 y favorece los productos; un ΔG° positivo da K menor que 1 y favorece los reactivos. Cada 5,7 kJ/mol a 298 K cambia K en un factor de unos 10.

¿Qué significa ΔG = ΔG° + RT ln Q?

Da la variación de energía libre para la mezcla que realmente tienes. Cuando Q es menor que K, RT ln Q es lo bastante negativo como para hacer ΔG negativo y la reacción avanza; cuando Q es mayor que K, va en sentido inverso; con Q = K, ΔG = 0.

¿Por qué mi ΔG está mal por un factor de 1000?

Casi siempre significa que se mezclaron kJ y J. Un ΔH de 44,01 kJ/mol son 44.010 J/mol; si ΔS está en J/(mol·K), convierte primero ΔH a julios (o ΔS a kJ/(mol·K)). Elige las unidades en los menús y la calculadora convierte por ti.