La espontaneidad y la dirección de los procesos químicos

La espontaneidad y la dirección de los procesos químicos

De manera natural sabemos que muchos procesos ocurren por sí solos, sin la acción de agentes externos. A estos se les llama procesos espontáneos. Sin embargo, hay otros procesos de interés, que no ocurren normalmente o les cuesta ocurrir. La termodinámica provee de una herramienta fundamental, la entropía, la que informa sobre la dirección, la espontaneidad o no espontaneidad de los procesos químicos.

Segunda ley de la termodinámica y la entropía

Considera en la siguiente descripción que la presión atmosférica se mantiene en 1 atm. Cuando en un vaso tienes agua y la colocas en un medio donde la temperatura es menor que 0 oC, el agua se convierte en hielo. Si colocas el vaso con hielo en un lugar donde la temperatura es mayor que 0 oC, en poco tiempo el hielo se funde y se convierte en agua.

Los dos cambios anteriores se producen en la medida que la temperatura externa se modifique. Una forma de describir la dirección de un proceso determinado es señalar si el proceso es espontaneo o no. La congelación del agua es espontánea a temperaturas inferiores a 0 oC y, por cierto, es no-espontánea a una temperatura mayor que 0 oC.

La fusión del hielo es espontanea a una temperatura mayor que 0 oC y no espontanea a una temperatura bajo 0 oC. .Cuál de estos procesos es endotérmico y cuál exotérmico?

En los casos descritos, los cambios dependen fuertemente de la temperatura en que se encuentra el sistema. Esta aparente reversibilidad no sería posible a cualquier temperatura. Si los cambios anteriores ocurren sobre y bajo 0 oC, ¿qué sucede específicamente cuando la presión es de 1 atm y la temperatura esta fija en 0 oC? A esta temperatura las dos fases se interconvierten con la misma rapidez, es decir:

En otras palabras, no hay preferencia o espontaneidad en ninguna dirección en particular. En esta situación el sistema está en equilibrio y se trata de un proceso reversible.

Reactividad: ¿por qué ocurren los procesos?

Con lo expuesto anteriormente te has dado cuenta que los procesos que ocurren en una determinada dirección son espontáneos o irreversibles. Sin embargo, con esto no explicamos por que suceden. El principio básico de una reacción química es la formación de una sustancia diferente a los reactantes.

En forma genérica se habla de reactividad para describir la capacidad que tienen los reactantes para transformarse en productos.

Se ha observado que en una gran cantidad de procesos exotérmicos, como la combustión del gas natural, esta favorecida la formación de los productos. En principio alguien podría establecer que “todos los procesos exotérmicos son espontáneos”. Sin embargo, tú conoces lo que es la evaporación de un líquido. La evaporación ocurre espontáneamente a una determinada temperatura, pero es endotérmica, o sea, necesita energía para que ocurra.

De modo que el conocimiento de la variación de entalpia de un proceso da cuenta de la energía térmica absorbida o liberada, pero no es un buen índice para predecir la espontaneidad. Es necesario que exista otra función termodinámica que de cuenta de la espontaneidad de un proceso.

Considera que tienes un sistema como el de la fi gura. En el Estado 1 tienes

gas atrapado en el balón de la izquierda y vacío en el balón de la derecha.

Luego, abres la llave de paso alcanzándose el Estado 2.

a) Observa, ¿cuál estado te parece más desordenado?

b) Predice, ¿cuál de los dos estados es más probable?

c) Infiere, ¿en cuál estado las moléculas tienen mayor movilidad?

d) Evalúa, ¿qué posibilidad existe de que, sin ninguna acción externa, todas

las moléculas se concentren solo en un balón como en el Estado 1?

e) Piensa ahora en tu dormitorio, ¿qué es más fácil, ordenarlo o desordenarlo?

f) A la luz de la evidencia discute y concluye: En general, ¿qué es más natural

el orden o el desorden? ¿El desorden coincide con lo más o menos probable?

Supón que tienes un mazo de naipes ordenados por pinta y numéricamente. Luego, barajas el naipe varias veces y observas como ha cambiado el orden inicial. Si continuas barajando el naipe, .cual será la probabilidad de recuperar el orden inicial? No se necesita pensar mucho para concluir que es muy poco probable.

Con un naipe de 52 cartas son posibles 1068 ordenaciones diferentes y cada una de ellas tiene la misma probabilidad de producirse. El orden perfecto de las cartas solo es una de las posibles ordenaciones. Entre todas las alternativas de distribución hay más arreglos desordenados.

Entropía y desorden

En termodinámica existe una propiedad de estado, la entropía (S), que da cuenta del desorden de un sistema. Cuanto más desordenado o aleatorio es un sistema, más crece la entropía.

Cuando se funde una sustancia y se transforma en líquido y luego este se transforma en gas, se transita de lo más ordenado a lo más desordenado, lo que permite concluir una estrecha relación con la entropía.

Si disuelves azúcar en agua puedes aseverar lo siguiente:

Cuando se disuelve un gas en un líquido como el agua se puede interpretar como:

La entropía puede parecer como algo abstracto, pero tiene mucha importancia en diferentes ámbitos del conocimiento, por ejemplo, en la química.

Termodinámicamente, un cambio de entropía se define por:

Donde q es el calor transferido en un sistema a la temperatura T en grados Kelvin.

Esta definición es muy simple, pero tiene una enorme trascendencia en la ciencia.

Entropía en un proceso irreversible o espontáneo

Considera dos cuerpos aislados a las temperaturas TA y TB, donde TA > TB. Luego, se acercan, entran en contacto por unos pocos segundos y posteriormente se separan, sin alterar sus respectivas temperaturas (ver fi gura a la derecha).

Ambos cuerpos configuran un universo, en que uno es el sistema y el otro el entorno.

Durante el contacto se produjo un flujo de calor (q) de A a B, que no altera significativamente la temperatura de los dos cuerpos ni el volumen de ellos, de

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