Termodinámica de las reacciones redox
Introducción
¡Hola!
Es una alegría encontrarnos en este espacio formativo, espero que sigas gozando de buena salud y de un excelente ánimo pues te ayudarán bastante para completar este curso que ya está entrando a su etapa final; por lo tanto te invito a tu clase 17 titulada Termodinámica de las reacciones redox del curso de Química Universitaria.
Anteriormente hemos aprendido a calcular E en condiciones estándar y no estándar usando la tabla de potenciales estándar y también la ecuación de Nernst. Ahora relacionamos algunas propiedades termodinámicas como la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio, así como la constante de Faraday con los sistemas redox en la obtención de energía eléctrica. Con las ecuaciones que manejaremos podremos predecir la espontaneidad de una reacción redox. Además, podremos saber si una reacción se ve favorecida en los productos o en los reactivos.
Revisaremos los conceptos y las ecuaciones donde se incluyen las variables referidas, analizaremos problemas de aplicación de la termodinámica de las reacciones redox y complementaremos con material audiovisual, esperando sea de tu interés y agrado.
Bueno, pues adelante ¡comencemos la clase!
Desarrollo del tema
Termodinámica de las reacciones redox
- La termodinámica. Es la rama de la física que se ocupa del estudio de los efectos que tienen los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico.
- La termodinámica se puede aplicar una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como: fenómenos de transporte, motores, transiciones de fase, reacciones químicas (que es el tema que nos ocupa en esta clase).
- Energía libre de Gibbs ΔG . Es una variable termodinámica que se emplea para calcular el máximo de trabajo reversible que puede realizar con un sistema termodinámico a una temperatura (isotérmico) y presión constante (isobárico).
- Las unidades de la energía libre de Gibbs en el sistema internacional . Son los Joules (J / mol).
- Constante de equilibrio (K) . Corresponde al valor del cociente de reacción en el equilibrio químico. La constante de equilibrio es independiente de las concentraciones iniciales de los reactivos y productos en la reacción.
- La constante de equilibrio, K, es adimensional.
- El cálculo de K a una temperatura dada para un correspondiente valor de K conocido a otra temperatura, se puede obtener siempre y cuando se disponga de los valores de las propiedades termodinámicas estándar.
Relación entre E °, ΔG (energía libre de Gibbs)
- El concepto de trabajo eléctrico que realiza la celda viene dado por el producto de la carga total (número de moles de electrones transferidos del ánodo al cátodo, multiplicado por la carga molar del electrón (constante de Faraday) y el potencial de la celda en condiciones estándar.
El signo (-) indica que el sistema hace trabajo sobre los alrededores y ∆G es la energía disponible para hacer el trabajo.
Relación entre ΔG (energía libre de Gibbs) y K (constante de equilibrio)
- El efecto de la temperatura en la constante de equilibrio es equivalente al efecto de la temperatura en la energía de Gibbs:
- En la siguiente tabla podrás observar la posibilidad de que una reacción redox pueda ocurrir, con base en los signos de las tres variables: E °, K y ΔG (Chang, 2017).
- Hay dos formas en las que pueden ocurrir los fenómenos físicos: una es la forma espontánea y otra es la forma no espontánea.
- En las reacciones químicas esto equivale a decir que ocurre de izquierda a derecha (para transformar reactivos en productos) o viceversa (transformación de productos en reactivos).
- En un proceso espontáneo el sistema transita de un estado de mayor a menor energía, es decir que tiende a liberar energía. El sistema realiza un trabajo sobre los alrededores.
- En un proceso no espontáneo sucede lo contrario y por tanto se requiere energía para que se dé la transformación.
- El sistema requiere que de alguna forma los alrededores le proporcionen energía
- El criterio termodinámico para la espontaneidad de una reacción redox está directamente relacionado con los signos de: E °, K y ΔG °.
- Cabe mencionar que cuando E ° = 0 y ΔG ° = 0 y K = 1, el sistema se encuentra en equilibrio.
A continuación, revisaremos ejemplos de aplicación de las ecuaciones presentados:
Para ilustrar lo que hasta ahora hemos expuesto te invito a ver con atención los siguientes videos:
Conclusión
Para concluir la sesión repasemos lo siguiente:
- Los sistemas redox son un par de semirreacciones (oxidación y reducción) que ocurren simultáneamente.
- Los sistemas redox se pueden relacionar con variables termodinámicas.
- La termodinámica. Es la rama de la física que se ocupa del estudio de los efectos que tienen los cambios de temperatura, presión y volumen de un sistema físico.
- La termodinámica se puede aplicar una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como: fenómenos de transporte, motores, transiciones de fase, reacciones químicas (que es el tema que nos ocupa en esta clase).
- Energía libre de Gibbs ΔG. Es una variable termodinámica que se emplea para calcular el máximo de trabajo reversible que puede realizar con un sistema termodinámico a una temperatura (isotérmico) y presión constante (isobárico).
- Las unidades de la energía libre de Gibbs en el sistema internacional. Son los Joules (J / mol).
- Constante de equilibrio (K). Corresponde al valor del cociente de reacción en el equilibrio químico. La constante de equilibrio es independiente de las concentraciones iniciales de los reactivos y productos en la reacción.
- La constante de equilibrio, K, es adimensional.
- El cálculo de K a una temperatura dada para un correspondiente valor de K conocido a otra temperatura, se puede obtener siempre y cuando se disponga de los valores de las propiedades termodinámicas estándar.
Hemos concluido la clase y como puedes notar has avanzado mucho durante el trayecto del curso ¡Muchas felicidades! Te invito a repasar los temas y conceptos revisados y la realización de las consignas para que se pueda alcanzar el aprendizaje esperado en esta clase. Te encuentro en tu última clase.
Fuentes de información
- Chang, R. y Goldsby, KA (2017). Química. CD. de México. McGraw-Hill.
- Whitten, K.W., Davis, R.E., Peck M.L. & Stanley G.G. (2008). Química.
- Cd. de México. CENGAGE Learning.
- Kotz, JC, Treichel, PM y Weaver, GC (2005). Química y reactividad química.
- CD. de México. Thomson Learning.