17.9 : Cambios de Energía Libre para Estados No Estándar

El cambio de energía libre estándar para una reacción solo se puede determinar si ocurre en condiciones estándar, cuando tanto los reactivos como los productos están en un estado estándar. Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas no ocurren en estas condiciones. En cualquier condición, estándar o no estándar, la cantidad relativa de productos y reactivos presentes en una reacción se describe mediante el cociente de reacción, Q.Para las reacciones que ocurren en solución, Q se calcula a partir de la relación de las concentraciones de producto y reactivo, con cada concentración de reactivo elevada a la potencia de su coeficiente estequiométrico.

Para reacciones gaseosas, pueden usarse las presiones parciales de los gases en lugar de concentraciones. El cambio de energía libre de una reacción es igual a la suma del cambio de energía libre en estado estándar para la reacción, delta G cero y RT multiplicada por el logaritmo natural de Q.Aquí, R es la constante universal de gas en julios por mol. kelvin, y T es la temperatura de la reacción en kelvin.

A temperatura constante, la energía libre en estado estándar tiene un valor fijo, pero Q varía porque depende de la composición de la mezcla de reacción. Considere la síntesis de gas amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno a 298 kelvins. En condiciones estándar, que para un gas es el gas puro a 1 atmósfera, las presiones parciales de todos los componentes son iguales a 1 atmósfera, y la magnitud del cociente de reacción es igual a 1.

Por lo tanto, el cambio de Energía libre de la reacción es igual al cambio de energía libre estándar de la reacción, 32, 8 kilojulios negativos por mol, y la reacción directa es espontánea. En condiciones no estándar, los componentes de la mezcla de reacción pueden tener inicialmente presiones parciales de 1, 2 atmósferas de nitrógeno, 3, 6 atmósferas de hidrógeno, y 0, 60 atmósferas de amoniaco. Igual que antes, el cociente de reacción se puede determinar a partir de los valores de las presiones parciales.

Si se sustituye Q en la ecuación, la energía libre para la reacción es 45, 3 kilojulios negativos por mol, lo que indica una reacción espontánea en la dirección hacia adelante. A medida que avanza la reacción directa, se produce más amoníaco, y cambia la composición de la reacción. Cuando los reactivos y los productos están en equilibrio, el cambio de energía libre para la reacción es cero, y el valor de RT multiplicado por el logaritmo natural de Q es igual y de signo opuesto al cambio de la energía libre estándar.

Ahora, si la mezcla de reacción contiene 0, 02 atmósferas de nitrógeno, 0, 06 atmósferas de hidrógeno, y 4, 8 atmósferas de amoníaco, Q es mucho mayor, y el cambio en la energía libre es de 5, 6 kilojulios por mol. Un cambio de energía libre positivo indica que la reacción inversa es energéticamente favorable. Por lo tanto, en estas condiciones, el amoniaco se descompone para producir nitrógeno e hidrógeno.