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Calculando los Cambios de Energía Libre Estándar
El cambio de energía libre para una reacción que ocurre bajo las condiciones estándar de presión de 1 bar y a 298 K se llama cambio de energía libre e…
El cambio de energía libre estándar para una reacción química que se produce en condiciones estándar se puede calcular de tres maneras. El primer método usa la la ecuación para el delta G estándar de la reacción. Considere la formación de carbonato de calcio a partir de óxido de calcio y dióxido de carbono.
El cambio de entalpía estándar de la reacción se puede calcular a partir de los calores de formación de los compuestos en la reacción, y el cambio de entropía estándar se puede calcular a partir de sus entropías molares estándar. Si usa los valores de las tablas de referencia, se pueden determinar el cambio de entalpía estándar y el cambio de entropía estándar para la reacción. Si se sustituyen estos valores en la ecuación para el cambio en la energía libre estándar, el delta G estándar de la reacción a 298 kelvin es igual a 130, 7 10³ julios.
En el segundo método, el cambio en la energía libre estándar de una reacción se calcula a partir de la diferencia entre la suma de las energías libres de formación de los productos multiplicada por sus coeficientes estequiométricos y la suma de las energías libres de formación de los reactivos multiplicada por sus coeficientes estequiométricos. Tomemos, por ejemplo, la reacción entre los gases hidrógeno y cloro para formar dos moles de gas cloruro de hidrógeno. Como la entalpía de formación, la energía libre estándar de formación de un elemento puro es cero.
Por tanto, las energías libres de formación de gases de hidrógeno y cloro son cero, mientras que la del gas de cloruro de hidrógeno es de 95, 3 kilojulios. Entonces, la energía libre de esta reacción es 2 veces la energía libre de formación de gas cloruro de hidrógeno, o 190, 6 kilojulios. Recuerde que según la ley de Hess, para una reacción escalonada, el cambio de entalpía neta se puede calcular a partir de la suma de las entalpías de cada paso.
El tercer método calcula el cambio neto de energía libre para una reacción de manera similar. Considérese la combustión de sulfuro de zinc para producir zinc metálico y dióxido de azufre gaseoso, que puede realizarse en dos pasos con energías libres estándar conocidas. Si sumamos los cambios de energía libres de las reacciones, obtenemos un delta G general de 98, 8 kilojulios.
Tenga en cuenta que el paso 1 no es espontáneo. Al conectarlo con la reacción espontánea en el paso 2, la reacción neta tiene un delta G negativo y, por lo tanto, es espontánea.
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Q1: What are the three methods for calculating standard free energy change?
The three methods are: (1) using standard enthalpy and entropy values with the ΔG° equation, (2) calculating from standard free energies of formation of products and reactants, and (3) applying Hess's law principles by summing free energy changes of stepwise reactions. Each method yields the same result since free energy is a state function.
Q2: How do you calculate standard free energy change from enthalpy and entropy?
Determine the standard enthalpy change (ΔH°) from heats of formation and standard entropy change (ΔS°) from standard molar entropies using reference tables. Substitute these values into ΔG° = ΔH° − TΔS° at 298 K. For example, calcium carbonate formation yields ΔG° = −130.7 × 10³ J using this approach.
Q3: Why is the standard free energy of formation zero for pure elements?
By definition, the standard free energy of formation equals zero for elemental substances under standard state conditions because there is no net formation process—the element already exists in its standard state. This convention simplifies calculations, as only compounds contribute to the overall free energy change.
Q4: How do you use free energies of formation to find the standard free energy change of a reaction?
Calculate the sum of free energies of formation of products multiplied by their stoichiometric coefficients, then subtract the sum of free energies of formation of reactants multiplied by their coefficients. For hydrogen and chlorine forming hydrogen chloride, ΔG° = 2(−95.3 kJ) − 0 = −190.6 kJ.
Q5: What does a negative standard free energy change indicate about a reaction?
A negative ΔG° indicates the reaction is spontaneous under standard conditions and will proceed forward. Conversely, a positive ΔG° means the reaction is nonspontaneous. Coupling a nonspontaneous reaction with a spontaneous one can yield an overall negative ΔG°, making the combined process thermodynamically favorable.
Q6: How can Hess's law be applied to calculate free energy changes for stepwise reactions?
For a reaction carried out in multiple steps, sum the standard free energy changes of each individual step to obtain the overall ΔG°. This works because free energy is a state function. For zinc sulfide combustion in two steps with known ΔG° values, the net reaction yields ΔG° = −98.8 kJ.
Q7: What are standard state conditions for calculating free energy changes?
Standard state conditions are defined as 1 bar pressure and 298 K (25°C) temperature. The free energy change calculated under these conditions is called the standard free energy change (ΔG°). These standardized conditions allow chemists to use widely available thermodynamic data tables for consistent calculations.