Termoquímica: entalpía y espontaneidad de las reacciones

Este cuestionario de Química de 2º de Bachillerato desarrolla la termoquímica, bloque que introduce el estudio energético de las reacciones y sienta las bases termodinámicas evaluadas en la PAU (Selectividad) junto con el equilibrio químico y la cinética.

Se parte de la relación entre la entalpía de reacción estándar y las entalpías de formación estándar de reactivos y productos, ΔH°r = ΣΔH°f(productos) - ΣΔH°f(reactivos), aplicando la ley de Hess: el cambio de entalpía de una reacción es la suma de los cambios de sus etapas, independientemente de la ruta seguida, y al invertir el sentido de una reacción el signo de ΔH se invierte. Se resuelve un problema clásico de combustión del metano donde se analiza el cambio de entropía del sistema contando los moles de gas en reactivos y productos: al pasar de 3 moles gaseosos a 1, la entropía del sistema disminuye pese a tratarse de una reacción que libera calor.

Se estudia la entropía como magnitud extensiva que mide el desorden microscópico de un sistema, creciente en los cambios de fase hacia estados más desordenados (fusión, vaporización). El criterio de espontaneidad se formaliza mediante la ecuación de Gibbs, ΔG=ΔH-TΔS: un proceso es espontáneo si ΔG<0, está en equilibrio si ΔG=0, y no es espontáneo si ΔG>0. Se resuelve un problema numérico completo de determinación de la temperatura límite de espontaneidad a partir de ΔH y ΔS dados.

Se analiza sistemáticamente la combinación de signos de ΔH y ΔS y su efecto sobre la espontaneidad en función de la temperatura: una reacción endotérmica con entropía negativa nunca es espontánea a ninguna temperatura (ambos términos de la ecuación de Gibbs juegan en contra), mientras que una reacción endotérmica con entropía positiva puede volverse espontánea a temperaturas suficientemente altas, cuando el término -TΔS supera en magnitud a ΔH.

Se distinguen las reacciones exotérmicas (ΔH<0, liberan calor, productos de menor entalpía que los reactivos) de las endotérmicas (ΔH>0), y se establece la convención de que la energía libre de Gibbis de formación de un elemento en su estado estándar es siempre cero.

Las 12 preguntas combinan problemas numéricos (temperatura límite de espontaneidad, entropía de una combustión) con preguntas conceptuales de verdadero/falso múltiple sobre entalpía, entropía y energía libre de Gibbs. Las 12 flashcards recogen todas las fórmulas y definiciones del bloque para el repaso final.

• Calcular la entalpía de reacción estándar a partir de las entalpías de formación de reactivos y productos aplicando la ley de Hess
• Determinar la temperatura límite de espontaneidad de una reacción a partir de su ΔH y ΔS mediante la ecuación de Gibbs
• Explicar el signo del cambio de entropía de una reacción a partir de la variación en el número de moles de gas
• Distinguir reacciones exotérmicas y endotérmicas y relacionarlas con el signo de ΔH
• Analizar cómo la combinación de signos de ΔH y ΔS determina si una reacción es espontánea a todas, ninguna, o solo algunas temperaturas

"Si una reacción tiene una entalpía de reacción ΔH = -150 kJ/mol y una entropía de reacción ΔS = -300 J/(mol·K), la reacción deja de ser espontánea a T = ΔH/ΔS = -150000/-300 = 500 K. Considerando la combustión completa del metano: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(l), pasamos de 3 moles de gas a 1 mol de gas, por lo que la entropía del sistema disminuye."