Energía libre de Gibbs y reacciones espontáneas | Biología | Khan Academy en Español
Summary
TLDREl script explora la energía libre de Gibbs, una herramienta fundamental en química y biología para determinar si una reacción es espontánea. Se presenta la fórmula de Gibbs, ΔG = ΔH - TΔS, y se explica cómo el cambio en entalpía y entropía, junto con la temperatura, influye en la espontaneidad de una reacción. Se ilustran escenarios donde la reacción es espontánea o no, dependiendo de los valores de ΔH, ΔS y T, destacando la importancia de la temperatura en el equilibrio de la reacción.
Takeaways
- 🔬 La energía libre de Gibbs es una herramienta importante en química y biología para determinar si una reacción es espontánea o no.
- 📚 La fórmula de Gibbs es ΔG = ΔH - TΔS, donde ΔG es el cambio en la energía libre, ΔH es el cambio en entalpía, T es la temperatura y ΔS es el cambio en entropía.
- 🌡️ La fórmula se aplica en condiciones de presión y temperatura constantes, lo que es común en muchos experimentos y sistemas biológicos.
- 🟢 Una reacción es espontánea si ΔG es menor que cero, lo que significa que libera energía y aumenta el desorden del sistema.
- 🔄 Si ΔH es negativo y ΔS es positivo, la reacción es espontánea independientemente de la temperatura, ya que se libera energía y aumenta el desorden.
- 🔴 Si ΔH es positivo y ΔS es negativo, la reacción no es espontánea, ya que requiere energía y disminuye el desorden, lo que no ocurre naturalmente.
- ⚫️ La temperatura juega un papel crucial cuando ΔH y ΔS tienen signos opuestos; la reacción puede ser espontánea a bajas temperaturas o no espontánea a altas temperaturas.
- 🔄 En situaciones donde ΔH y ΔS son negativos, la reacción es espontánea a bajas temperaturas debido a la dominancia de la entalpía en la ecuación.
- 🔥 A altas temperaturas, el término TΔS puede ser suficientemente grande como para hacer que ΔG sea positivo, lo que hace que la reacción no sea espontánea.
- 🌐 La segunda ley de la termodinámica se aplica al sistema completo, incluyendo el calor liberado que aumenta la entropía del resto del universo.
- 🔑 La fórmula de Gibbs es una guía útil para entender y predecir la espontaneidad de reacciones químicas y biológicas bajo condiciones de presión y temperatura constantes.
Q & A
¿Qué es la energía libre de Gibbs y por qué es útil en la química y la biología?
-La energía libre de Gibbs es una medida de la cantidad de energía en un sistema que está disponible para realizar trabajo. Es útil en la química y la biología para determinar si una reacción es espontánea o no.
¿Quién definió la energía libre de Gibbs y cuál es su fórmula?
-La energía libre de Gibbs fue definida por Josiah Willard Gibbs. La fórmula para predecir la espontaneidad de las reacciones es ΔG = ΔH - TΔS, donde ΔG es el cambio en la energía libre, ΔH es el cambio en la entalpía, T es la temperatura y ΔS es el cambio en la entropía.
¿Cuáles son las condiciones en las que se aplica la fórmula de la energía libre de Gibbs?
-La fórmula de la energía libre de Gibbs se aplica en condiciones de presión y temperatura constantes.
¿Por qué una reacción es espontánea si ΔG es menor que cero?
-Una reacción es espontánea si ΔG es menor que cero porque indica que la energía libre del sistema disminuye, lo que sugiere que la reacción puede liberar energía y es entropía favorable.
¿Qué ocurre si el cambio en la entalpía (ΔH) es negativo y la entropía (ΔS) aumenta?
-Si ΔH es negativo y ΔS aumenta, la reacción libera energía y el desorden del sistema aumenta, lo que hace que la reacción sea espontánea independientemente de la temperatura.
¿Cómo afecta la temperatura a la espontaneidad de una reacción cuando ΔH y ΔS son negativos?
-Cuando ΔH y ΔS son negativos, la temperatura influye en la espontaneidad de la reacción. A temperaturas bajas, la entalpía domina y la reacción es espontánea, mientras que a temperaturas altas, el término TΔS puede ser suficiente para hacer que ΔG sea positivo, y la reacción no es espontánea.
¿Qué sucede si ΔH es mayor que cero y ΔS es menor que cero?
-Si ΔH es mayor que cero y ΔS es menor que cero, la reacción no es espontánea porque requiere energía para ocurrir y disminuye el desorden, lo que hace que ΔG sea mayor que cero.
¿Cómo la temperatura influye en la espontaneidad de una reacción cuando ΔH es positivo y ΔS es positivo?
-Cuando ΔH es positivo y ΔS es positivo, la temperatura alta puede aumentar la probabilidad de que las moléculas interactúen y formen enlaces, lo que puede hacer que la reacción sea espontánea si TΔS es suficientemente grande para superar ΔH.
¿Qué es un estado de energía más bajo y cómo se relaciona con la espontaneidad de una reacción?
-Un estado de energía más bajo se refiere a una configuración en la que las partículas del sistema tienen menos energía potencial. Si las moléculas pueden alcanzar este estado liberando energía, la reacción es más probable que sea espontánea.
¿Cómo la entropía del universo se relaciona con la segunda ley de la termodinámica y las reacciones espontáneas?
-La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo siempre aumenta. Aunque una reacción puede disminuir la entropía localmente, la liberación de calor y el aumento del desorden en el resto del sistema contribuyen a un aumento total de entropía.
Outlines
🔬 Introducción a la Energía Libre de Gibbs
Este primer párrafo introduce el concepto de energía libre de Gibbs, esencial en la química y biología para determinar si una reacción es espontánea. Se explica que la fórmula de Gibbs, ΔG = ΔH - TΔS, permite predecir la espontaneidad de las reacciones en condiciones de presión y temperatura constantes. Se destaca la importancia de entender la relación entre el cambio en entalpía (ΔH), la temperatura (T) y el cambio en entropía (ΔS) para determinar si ΔG será negativo, lo que indicaría una reacción espontánea. Además, se menciona que un ΔG negativo sugiere que la reacción ocurriría naturalmente, mientras que un ΔG positivo lo haría no espontáneo.
🌡️ Influencia de la Temperatura en la Energía Libre
El segundo párrafo profundiza en cómo la temperatura afecta la espontaneidad de las reacciones químicas. Se discute el escenario en el que un cambio de entalpía negativo (ΔH < 0) y un aumento de entropía (ΔS > 0) conducirían a una reacción espontánea, ya que liberarían energía y aumentarían el desorden. Por otro lado, se explora cómo un cambio de entalpía positivo (ΔH > 0) y una disminución de entropía (ΔS < 0) harían que la reacción no fuera espontánea, ya que requerirían energía y reducirían el desorden. Además, se analiza el papel crítico de la temperatura en la ecuación de Gibbs, destacando que en temperaturas bajas, la entropía tiene menos influencia y la entalpía domina, mientras que en temperaturas altas, la entropía juega un papel más importante.
🔄 Análisis de Escenarios con Energía Libre de Gibbs
El tercer párrafo ofrece un análisis detallado de diferentes escenarios químicos utilizando la fórmula de Gibbs. Se examinan casos donde el cambio en entalpía es positivo o negativo y cómo la temperatura afecta la probabilidad de que una reacción sea espontánea. Se enfatiza que, a temperaturas bajas, incluso si la entropía disminuye, la liberación de energía puede hacer que una reacción sea espontánea. En contraste, a altas temperaturas, la disminución de entropía puede impedir que una reacción ocurra espontáneamente. Finalmente, se resalta la utilidad de la fórmula de Gibbs para predecir la espontaneidad de reacciones en sistemas biológicos y químicos, siempre y cuando se mantengan las condiciones de presión y temperatura constantes.
Mindmap
Keywords
💡energía libre de Gibbs
💡Josiah Willard Gibbs
💡entalpía
💡presión constante
💡temperatura constante
💡espontaneidad
💡entropía
💡segunda ley de la termodinámica
💡reacción química
💡biología
Highlights
Exploración de la energía libre de Gibbs y su importancia para determinar la espontaneidad de reacciones en química y biología.
La fórmula de Gibbs para predecir la espontaneidad de las reacciones: ΔG = ΔH - TΔS.
Entalpía (ΔH) como el contenido de calor y su relación con la energía libre a condiciones de presión y temperatura constantes.
Entropía (ΔS) como medida del desorden y su papel en la fórmula de Gibbs.
Intuición detrás de la fórmula de Gibbs y su interpretación intuitiva.
Condición para una reacción espontánea: ΔG < 0.
Escenario de reacción espontánea con disminución de entalpía y aumento de entropía.
La interacción de moléculas y la liberación de energía como factor para la espontaneidad.
Caso de reacción no espontánea con aumento de entalpía y disminución de entropía.
Influencia de la temperatura en la espontaneidad de reacciones con ΔH y ΔS iguales a cero.
Reacciones espontáneas a bajas temperaturas cuando la entalpía domina la ecuación de Gibbs.
Reacciones no espontáneas a altas temperaturas debido a la importancia del término entropía.
La segunda ley de la termodinámica y su relación con la entropía del sistema y el universo.
Escenarios donde la temperatura es un factor crítico para la espontaneidad de reacciones.
La importancia de la energía cinética promedio en reacciones a altas temperaturas.
La probabilidad de reacciones y su relación con el desorden creado por la entropía.
La fórmula de Gibbs y su aplicación en sistemas biológicos y químicos.
La utilidad de ΔG para predecir si una reacción es espontánea, en equilibrio o no espontánea.
Transcripts
en este video vamos a explorar la
energía libre de gibs y particularmente
su utilidad para determinar si una
reacción va a ser espontánea o no que es
muy útil en la química y en la biología
y fue definida por yosaya willard gibs
aquí tenemos la famosa fórmula que nos
va a ayudar a predecir la espontaneidad
de las reacciones y dice que el cambio
en la energía libre de gips es igual al
cambio en la entalpía esta H es
entalpía puede ser vista como el
contenido de calor sobre todo porque
esta fórmula se aplica si estamos en
condiciones de presión y temperatura
constantes Entonces el cambio en la
entalpía menos la temperatura
multiplicada por el cambio en la
entropía la s es la
entropía y parece que esta fórmula
extraña es muy difícil de entender pero
veremos que en realidad tiene mucho
sentido intuitivo gibs josiah willard
gibs definió esto para saber Cuánta
entalpía es útil en la realización de
trabajo Cuánta de esta entalpía es libre
para poder hacer cosas útiles pero en
este video vamos a enfocarnos en Cómo
podemos utilizar el cambio en la energía
libre de gibs para predecir si una
reacción va a ocurrir de forma
espontánea y para llegar directa ente a
saber esto vamos a decir que si Delta G
es menor que cer nuestra reacción va a
ser
espontánea Va a
ser
espontánea va a suceder suponiendo que
las moléculas sean capaces de
interactuar de la forma correcta va a
ser espontánea ahora vamos a pensar un
poco acerca de Por qué eso tiene sentido
si esta expresión es negativa nuestra
reacción va a ser espontánea vamos a
pensar en todos los diferentes
escenarios en este escenario si nuestro
cambio de entalpía es menor que cero y
nuestra entropía aumenta nuestra
entalpía disminuye esto significa que
vamos a liberar energía vamos a liberar
entalpía
liberar
entalpía con menos entalpía que con la
que empecé pero la entropía aumenta el
desorden aumenta el número de estados
que mi sistema puede asumir aumenta y
bueno esto tiene mucho sentido Esto va a
suceder de manera espontánea
independientemente de la temperatura que
tengamos Tengo estas dos moléculas están
a punto de chocar entre sí y cuando se
acercan una a la otra sus electrones
dicen espera Aquí hay una mejor
configuración donde podemos entrar en un
estado de energía más bajo donde podemos
liberar energía Y al hacerlo estos
diferentes componentes pueden separarse
y así tenemos más componentes ya que se
separaron y se liberó energía la
entropía aumenta y así esto tiene
sentido esto ocurre de manera natural
esto es espontáneo Delta G es menor que
cer y voy a encerrar a las reacciones
espontáneas en color
verde Ahora qué pasa con este escenario
en este escenario Delta H Es mayor que
cero por lo tanto la entalpía de esta
reacción tiene que aumentar y la
entropía va a disminuir puedes imaginar
que estas moléculas se acercan una a la
otra pero sus electrones dicen Oye no no
para que podamos unirnos tendríamos que
llegar a un estado de energía más alto
vamos a necesitar energía y el desorden
va a disminuir esto no va a suceder y
así por supuesto Esta es una combinación
si Delta H Es mayor que 0 Y si este es
menor que 0 entonces todo este término
va a ser positivo y así Delta G va a ser
mayor que 0 Delta G va a ser mayor que
0 y espero que esto tenga sentido
intuitivo para ti esta reacción no va a
ser espontánea esta reacción no va a
suceder Ahora aquí tenemos escenarios
donde Delta h y Delta s son iguales pero
lo que determina si estas reacciones son
espontáneas o no va a ser la temperatura
Así que aquí si Delta H es menor que oer
vamos a tener una liberación de energía
pero nuestra entropía disminuye qué va a
pasar aquí Bueno si la temperatura es
baja estas moléculas o estos átomos se
van a acercar suavemente uno al otro y
sus electrones van a poder interactuar
tal vez llegan a un estado de energía
más bajo y pueden liberar energía están
liberando energía y los electrones van a
hacer esto
espontáneamente pero la entropía va a
bajar y esto puede suceder
espontáneamente porque la temperatura es
baja y algunos de ustedes podrían estar
diciendo Espera que esto no va en contra
de la Segunda ley de la
termodinámica y hay que recordar que la
entropía si solo estás pensando en esta
parte del sistema Entonces sí va en
contra de la Segunda ley de la
termodinámica pero se está liberando
calor y el calor va a Añadir entropía al
resto del sistema y la segunda ley de la
termodinámica sostiene que la entropía
del universo va a aumentar debido a este
calor liberado pero si solo nos fijamos
en los constituyentes la entropía
disminuye por lo tanto Esto va a ser
espontáneo
también y si regresamos a la fórmula si
esto es negativo y esto es negativo Esto
va a ser un término positivo pero si t
es lo suficientemente baja Este término
no va a tener importancia la temperatura
es un factor importante para la entropía
Así que si t es pequeña la entropía no
va a tener importancia entonces la
entalpía domina la ecuación por lo tanto
en esta situación la temperatura es lo
suficientemente baja para hacer que
Delta G sea negativo y Esto va a ser
espontáneo aquí Tenemos el mismo
escenario Pero tenemos una temperatura
alta tenemos las mismas dos moléculas
digamos que estas son las moléculas Esta
es esta morada de aquí tenemos las
mismas dos moléculas aquí que podrían
liberar energía pero aquí el cambio en
la entalpía es negativo Pero están
moviéndose tan rápido que sus electrones
no van a tener oportunidad de
interactuar de la forma correcta para
que la reacción ocurra Esta es una
situación en la que la reacción no será
espontánea porque solo van a pasarse de
largo no van a tener la oportunidad de
interactuar correctamente y así si la
temperatura es alta si T es alta este
término va a ser muy importante y el
hecho de que la entropía es negativa va
a hac que este término sea positivo y
Esto va a ser más positivo de lo que
Esto va a ser negativo por lo tanto Esta
es una situación en la que nuestro Delta
G Es mayor que cer así que esta reacción
es No
espontánea y todo lo que estoy haciendo
es solo para que entiendas por qué esta
fórmula para la energía libre de gips
tiene sentido y recuerda esto es cierto
a presión constante y a temperatura
constante y esas son suposiciones
razonables si estamos utilizando un tubo
de ensayo o si estamos hablando de una
gran cantidad de sistemas
biológicos ahora vamos a ver este
caso aquí nuestro cambio en la entalpía
es positivo y nuestra entropía
aumentaría si estas
pero nuestra temperatura es baja si
estas moléculas reaccionan tal vez se
separarían y harían algo como esto pero
estas no van a hacer eso porque cuando
estas moléculas chocan entre sí podrían
decir todos nuestros electrones tienen
unas agradables configuraciones estables
no veo ninguna razón para reaccionar a
pesar de que si lo hiciéramos ganaríamos
un aumento en la entropía no hay razón
para reaccionar y Y si nos fijamos en
estas variables si este es positivo y si
este es positivo si la temperatura es
baja Este término no va a ser capaz de
vencer a este otro por lo que El delta G
Es mayor que oer es no
espontánea Si vemos el mismo escenario y
decidimos subir la temperatura aumentar
la energía cinética promedio estas
moléculas van a ser capaces de chocar
entre sí y y a pesar de que los
electrones van a requerir algo de
energía para formar estos enlaces esto
puede suceder porque tenemos todo este
desorden que está siendo creado tenemos
más estados y es menos probable ir en el
otro sentido porque bueno Cuáles son las
probabilidades de que estas moléculas
simplemente se reúnan en la
configuración exacta Para volver a tener
este número menor de moléculas Y si nos
fijamos en estas variables Incluso si
Delta H Es mayor que 0 Incluso si esto
es positivo si Delta s Es mayor que 0 y
t es alta este término se va a convertir
Especialmente con el signo negativo aquí
Este término va a vencer al cambio en la
entalpía Y hacer que toda la expresión
sea negativa Así que aquí Delta G va a
ser menor que oer y esta reacción va a
ser
espontánea Espero que esto te ayude a
entender la fórmula de energía libre de
gips y tienes que recordar que solo
funciona si la presión y la temperatura
son constantes pero es Útil para pensar
acerca de si una reacción es espontánea
y conforme veamos sistemas biológicos o
químicos verás El delta G de las
reacciones y podrás decir Oh es un Delta
G negativo esa va a ser una reacción
espontánea o El delta G es ig a 0 Esto
va a ser equilibrio o podrías decir esto
es un Delta G positivo esta reacción va
a ser no
espontánea
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