Energia livre e espontaneidade: guia de estudo

Ideias principais

A energia livre combina entalpia e entropia em um único critério de espontaneidade. Um processo é espontâneo a uma dada temperatura quando ΔG é negativa, e ΔG° está diretamente ligada à constante de equilíbrio.

• ΔG = ΔH − TΔS, com T em kelvin. ΔG < 0 significa espontâneo, ΔG > 0 não espontâneo e ΔG = 0 equilíbrio.
• As quatro combinações de sinal: ΔH < 0 e ΔS > 0 sempre espontâneo, ΔH > 0 e ΔS < 0 nunca, e as outras duas dependem da temperatura.
• Onde o sinal muda, T = ΔH ÷ ΔS. Mantenha ΔH em joules ou ΔS em kJ para que as unidades coincidam.
• ΔG° = −RT ln K, então ΔG° negativa significa K > 1 e que os produtos são favorecidos no equilíbrio.

Equações principais

• ΔG = ΔH − TΔS
• ΔG° = −RT ln K
• ΔS_surr = −ΔH ÷ T
• ΔS_total = ΔS_sys + ΔS_surr
• T_switch = ΔH ÷ ΔS

Exemplo resolvido

Um processo tem ΔH = +40 kJ/mol e ΔS = +100 J/(mol·K). A 298 K, ΔG = 40 000 − 298 × 100 = +10 200 J/mol, então não é espontâneo. Torna-se espontâneo acima de T = 40 000 ÷ 100 = 400 K. Para uma reação com ΔG° = −10,0 kJ/mol a 298 K, ln K = 10 000 ÷ (8,314 × 298) = 4,04, então K ≈ 57.

Erros comuns

• Misturar kJ para ΔH com J para ΔS na mesma fórmula.
• Usar °C em vez de kelvin para T.
• Ler ΔG° < 0 como se a reação fosse rápida. A energia livre não diz nada sobre a velocidade.

Prática

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