Equilibrio Químico. Espontaneidad en procesos químicos

Equilibrio Químico

Espontaneidad en procesos químicos

Para definir la espontaneidad; es el cambio de entropía del universo, si consideramos un sistema una parte del universo se necesita una función que considere el cambio de entropía en el sistema y el cambio que se produce en los alrededores, si el sistema se comunica mediante calor y trabajo (con Temperatura y Presión constante) la función es la energía libre de Gibbs, la entalpía corresponde al calor liberado o absorbido por el proceso, la función se expresa: ΔG = ΔH - TΔS lo que es igual a energía libre de Gibbs = Entalpía - Temperatura x Entropía

En general el valor ΔG es el resultado de la “lucha” entre las contribuciones entálpicas y entrópicas.

Entalpía

El cambio de entalpía es el calor transferido por un proceso, es la estabilización de energía de un sistema como consecuencia del proceso. En sistemas aislados (el universo completo) la energía del sistema no cambia, la entalpía no juega un papel importante.

En un sistema a Temperatura y Presión constante es más estable al perder energía (liberar calor) la ganancia de energía en un sistema en un sistema químico se produce por formación de nuevos enlaces e interacciones. Si se ve la Energía potencial de un sistema, como una superficie en la que el sistema tiende a la estabilidad, los llegar a puntos con menos energía potencial, al liberar calor al medio (-ΔH) el sistema se estabiliza, los procesos que llegan a eso mediante nuevas interacciones son entalpicamente favorables.[pic 1]

En biología muchos procesos ocurren gracias a esto como ejemplo el plegamiento de proteínas con las nuevas interacciones (puentes de hidrógeno) entre el esqueleto de la proteína (estructura secundaria) y las cadenas laterales formando la estructura terciaria.

En el gráfico se observa una entalpía negativa que permite a la proteína en su forma base (hilo rojo) poder generar interacciones entre ella misma (verde) y eso hace que esta adquiera la estructura correspondiente y la hace funcional.

Entropía

La interacción de la entropía nos lleva a la ecuación de clausius  Esta ecuación pese a su valor no indica la dirección del cambio de entropía por lo que se recurre a la interpretación estadística de la entropía (equivalente a la termodinámica) así lo que antes se denominó “desorden” no es del todo práctica por lo que se modifica.[pic 2]

• Ejemplo 1: pensemos en un cruce de caminos, salen 10 carreteras, con una fila de gente que elige caminar por una de esas carreteras al azar, si 8 llegan a Santiago y dos a Valparaíso, en promedio llega más gente a Santiago esto porque más carreteras llegan a Santiago, así independiente de las condiciones mientras sean iguales en un inicio, el estado final de un sistema es aquel al que se puede llegar por más formas diferentes.
• Ejemplo 2: Los estados de orden de una cama y una repisa con N libros son 1 para la cama y N! para la repisa, pero desordenados son muchos más, puede que las sábanas no estén en orden, o en otro lugar del dormitorio, lo mismo con los libros de la repisa. La diferencia de configuraciones del dormitorio se llaman microestados, mientras que los estados ordenados y desordenados se llaman “macroestados”  al hacer cambios en un sistema se debe acercar al estado que tenga más microestados, y esto es la entropía (n° microestados al que se llega) que representa un macroestado esto es: S = KBln(W) siendo W: n° estados microscópicos que representan o componen el macroestado. KB; la constante de Boltzmann (fórmula de Boltzmann para la entropía)

Considerando un sistema químico o biológico una proteína es una sola cadena larga con pequeñas ramificaciones, con dos estados uno libre (extendida) versus uno plegado sobre sí misma de configuración activa, la libre tiene mucha más posiciones que la plegada ya que esta es altamente específica, así si algo cambia en el sistema la proteína tenderá a estar “libre”.[pic 3]

¿Qué hace cambios en el sistema? para una configuración favorable es la Temperatura, la Energía cinética media sobre el sistema que lo hace moverse entre estados, de ahí la ecuación de energía libre de Gibbs.[pic 4]

La entropía es más importante conforme la Temperatura sube así se ve la espontaneidad de una reacción viene determinada por un balance entre el estado con interacciones más favorables (Entalpía) y el estado representado por más microestados o estados con más “libertad” o “desordenado”

Grado de avance de la reacción

Con una reacción A+2B = C Se puede decir que avanza a un grado ɛ cuando desaparecen ɛ moles de A o 2ɛ de moles de B o cuando se forman ɛ moles de C (ɛ = los grados de avance de la reacción) y ɛ entrega los grados de avance de forma estándar especialmente cuando las especies de la reacción tienen distinta estequiometría, definiendo con esto la nueva cantidad de energía libre de Gibbs ΔrG=  Esto es la pendiente de G en un punto dado del gráfico G v/s coordenadas de reacción.[pic 5]

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