Entropy: Embrace the Chaos! Crash Course Chemistry #20

Summary

El guión explora la ley del aumento de la entropía o desorden en el universo, explicando que hay pocas formas organizadas y casi infinitas desorganizadas de organizar las cosas. La Segunda Ley de la Termodinámica afirma que cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden. La entropía, medida del desorden molecular, es crucial en la química, permitiendo predecir la cantidad de trabajo útil extraíble de una reacción. El guión ilustra esto con una reacción entre bario hidróxido y cloruro de amoníaco que absorbe calor, enfatizando cómo la entropía puede impulsar reacciones espontáneas, incluso absorbiendo energía del entorno.

Takeaways

• 🌌 La vida y el universo están llenos de caos, lo cual es una tendencia natural hacia el desorden.
• 🧠 Existen pocas formas organizadas comparadas con las casi infinitas formas desorganizadas de arreglo de las cosas, según las reglas de la probabilidad.
• 🔧 La Segunda Ley de la Termodinámica establece que cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden o la aleatoriedad del universo.
• 🏠 Ordenar un sistema, como limpiar una casa, requiere que otros sistemas se desordenen, lo que aumenta el desorden general del universo.
• 🍲 El proceso de digerir una comida ordenada y luego usar esa energía para realizar tareas, como limpiar, también aumenta el desorden a nivel molecular.
• 🔬 La entropía es la medida del desorden molecular y es fundamental en la química para entender y predecir reacciones.
• 🔄 La entropía, al igual que la entalpía, es una función de estado y su cambio en una reacción se calcula restando los valores de los reactivos de los productos.
• 💎 El cambio de un diamante a grafito es un ejemplo de una reacción termodinámicamente espontánea que raramente ocurre debido a la estabilidad de los enlaces en el diamante.
• ❄️ La reacción entre bario hidróxido octa hidratado y cloruro de amoníaco es un ejemplo de una reacción que absorbe calor y aumenta la entropía, lo que la hace espontánea.
• ⚖️ La fórmula de Gibbs relaciona la energía libre de Gibbs con el cambio de entalpía y el cambio de entropía, lo que ayuda a determinar si una reacción es espontánea o no.
• 🔑 La energía libre de Gibbs (ΔG) es negativa para reacciones espontáneas, ya que liberan energía en lugar de requerirla para proceder.
• 📚 El script de este episodio de Crash Course Chemistry fue escrito por Edi Gonzalez y editado por Blake de Pastino, con consultoría química de Dr. Heiko Langner.

Q & A

¿Qué es el caos y cómo está relacionado con la estructura del universo?

El caos se refiere a la desorden inherente en el universo, desde el estado desordenado de una oficina hasta la degradación lenta del cuerpo humano. Según el script, el universo tiende hacia el desorden porque hay pocas maneras de organizar las cosas y casi infinitas maneras de desorganizarlas.

¿Qué ley de la termodinámica describe el aumento del desorden en el universo?

La Segunda Ley de la Termodinámica establece que 'Cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden o la aleatoriedad del universo.'

¿Cómo se relaciona el trabajo con el orden y el desorden en el universo?

Procesos que no aumentan el desorden del universo requieren trabajo para oponerse al desorden y a menudo son imposibles de lograr. Ordenar un sistema implica que otros sistemas se desordenen, como se ejemplifica con la comida que se convierte en nutrientes menos ordenados para proporcionar energía.

¿Qué es la entropía y cómo se relaciona con el desorden del universo?

La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad molecular. Es fundamental en química, ya que ayuda a comprender y predecir cómo las reacciones químicas pueden ocurrir espontáneamente y cuánto trabajo útil se puede extraer de ellas.

¿Por qué una reacción química puede ser espontánea a pesar de absorber calor del entorno?

Una reacción química puede ser espontánea si absorbe calor del entorno si hay un aumento suficiente en la entropía. Esto se debe a que el aumento de desorden en el sistema puede superar el efecto del calor absorbido.

¿Qué es la energía libre de Gibbs y cómo se relaciona con la espontaneidad de una reacción?

La energía libre de Gibbs, o simplemente la energía libre del sistema, mide la cantidad de energía en un sistema que está disponible o libre para hacer trabajo útil. Si el valor de Delta G (cambio en energía libre de Gibbs) es negativo, la reacción es espontánea.

¿Cómo se calcula el cambio en la entropía durante una reacción química?

El cambio en la entropía se calcula utilizando la fórmula del cambio en entropía estándar, donde se resta la suma de los valores de entropía de los reactivos de los productos, similar al cálculo del cambio en entalpía.

¿Cuál es la diferencia entre un proceso espontáneo y uno no espontáneo según la termodinámica?

Un proceso espontáneo es aquel que no requiere energía externa para continuar, mientras que un proceso no espontáneo no ocurre sin la introducción de energía adicional.

¿Cómo se relaciona el cambio en entropía con la dirección de una reacción química?

Si el cambio en entropía (Delta S) es positivo, la reacción tiende a ser espontánea, ya que el producto final es más desordenado que los reactivos iniciales. Esto puede llevar a una reacción a ocurrir sin necesidad de energía adicional.

¿Cómo se puede determinar si una reacción química es entropía impulsada o impulsada por entalpía?

Una reacción es entropía impulsada si el valor absoluto de 'T Delta S' es mayor que el valor absoluto del cambio en entalpía (Delta H). Por otro lado, si el valor absoluto de Delta H es mayor, la reacción es impulsada por entalpía.

¿Qué ejemplo de reacción química se menciona en el script y cómo se relaciona con la entropía y la energía libre de Gibbs?

El script menciona la reacción entre bario hidróxido octa hidratado y cloruro de amoníaco, que absorbe calor del entorno y aumenta la entropía. El cálculo de la energía libre de Gibbs confirma que la reacción es espontánea debido al aumento significativo en la entropía, a pesar de absorber calor.

Outlines

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🌌 El caos universal y la entropía

El universo tiende al desorden debido a la probabilidad matemática que dicta que hay muchas más maneras de que las cosas estén desorganizadas que organizadas. Esto se relaciona con la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden del universo. Incluso acciones que intentan organizar, como limpiar una casa, en realidad incrementan el desorden global al consumir energía y liberar calor. El concepto de entropía es fundamental en la química y describe esta medida de desorden molecular.

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🔬 Reacción química espontánea con absorción de calor

Se presenta una demostración de una reacción química entre bario hidróxido y cloruro de amonio que absorbe calor, lo que enfría su entorno y llega a congelar un bloque de madera. Aunque es raro que una reacción espontánea absorba calor, se explica que esto sucede debido a un gran aumento en la entropía, es decir, en el desorden, cuando los sólidos se convierten en líquidos y gases. Este aumento en la entropía supera el cambio en entalpía (absorción de calor), lo que impulsa la reacción espontáneamente.

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📊 Energía libre de Gibbs y espontaneidad de las reacciones

Se introduce la energía libre de Gibbs, una función de estado que indica la cantidad de energía disponible en un sistema para realizar trabajo útil. La fórmula de Gibbs muestra que la espontaneidad de una reacción depende del balance entre el cambio de entalpía (transferencia de calor) y el cambio de entropía (aumento del desorden) a una temperatura dada. Si el valor de 'Delta G' es negativo, la reacción es espontánea. La reacción presentada en la demostración es espontánea, a pesar de absorber calor, gracias al gran aumento de entropía.

Keywords

💡Caos

El caos se refiere a la falta de orden o estructura en un sistema. En el video, se utiliza para describir la tendencia natural del universo hacia el desorden, como en el estado desordenado de una oficina o la degradación del cuerpo humano. La idea principal es que hay muy pocas maneras de organizar las cosas y casi infinitas maneras de estar desorganizadas, lo que es inevitable según la Segunda Ley de la Termodinámica.

💡Segunda Ley de la Termodinámica

Esta ley establece que cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden o la aleatoriedad del universo. Es central en el video, ya que explica por qué los sistemas tienden al desorden y cómo esto afecta procesos químicos y la vida cotidiana, como el ejemplo de limpiar una casa que aumenta el desorden general del universo.

💡Entropia

La entropía es una medida de la aleatoriedad molecular o el desorden. Es fundamental en química, ya que ayuda a entender y predecir cómo ocurren las reacciones químicas espontáneamente y cuánto trabajo útil se puede extraer de ellas. En el video, se discute cómo la entropía puede ser positiva, lo que indica un aumento del desorden en los productos en comparación con los reagentes.

💡Proceso espontáneo

Un proceso espontáneo es aquel que no requiere energía externa para continuar. En el video, se explica que esto no implica necesariamente que ocurra de manera rápida, sino que indica que la reacción es térmicamente capaz de ocurrir sin energía externa. Ejemplos en el script incluyen reacciones químicas que, aunque son espontáneas, pueden no ocurrir debido a la estabilidad de ciertos compuestos.

💡Estados desorganizados

Los estados desorganizados son aquellos en los que las partículas de un sistema están dispersas y no tienen una estructura definida. En el video, se argumenta que es mucho más probable que las cosas estén en uno de los muchos estados desorganizados en lugar de uno de los pocos estados organizados, y esto se debe a las reglas simples de la probabilidad.

💡Reacciones químicas

Las reacciones químicas son transformaciones en las que las sustancias reagentes se convierten en productos diferentes. En el video, se usan para ilustrar cómo la entropía y la energía libre (Gibbs) afectan la espontaneidad de estas reacciones, como en el caso de la reacción entre bario hidróxido octahidratado y cloruro de amoníaco.

💡Energía libre de Gibbs (Delta G)

La energía libre de Gibbs, o simplemente la energía libre, es una medida de la cantidad de energía en un sistema que está disponible para hacer trabajo útil. En el video, se muestra cómo se calcula y cómo su signo determina si una reacción es espontánea, no espontánea o está en equilibrio.

💡Estado función

Una estado función es una propiedad física que depende únicamente del estado actual del sistema y no de la trayectoria que este haya seguido para alcanzar ese estado. En el video, se menciona que tanto la entropía como la energía libre de Gibbs son estado funciones, lo que permite calcular cambios en estas propiedades sin necesidad de conocer los valores absolutos.

💡Entalpía

La entalpía es una medida de la cantidad de energía térmica transferida en una reacción química. En el video, se utiliza para calcular el cambio de entalpía durante una reacción y se relaciona con la energía libre de Gibbs para determinar la espontaneidad de la reacción.

💡Reacción entropía-impulsada

Una reacción entropía-impulsada es aquella en la que el cambio en entropía (cambio en desorden) es lo suficientemente grande como para hacer que la reacción sea espontánea, incluso si absorbe calor del entorno. En el video, se ilustra este concepto con la reacción entre bario hidróxido y cloruro de amoníaco, que absorbe calor pero ocurre espontáneamente debido al aumento significativo de desorden.

Highlights

La vida es un caos y el universo tiende hacia el desorden.

Existen pocas formas organizadas comparadas con las casi infinitas formas desorganizadas.

La segunda ley de la termodinámica afirma que cualquier proceso espontáneo aumenta el desorden del universo.

El acto de ordenar un sistema requiere que otros sistemas se desordenen.

El desorden es una cuestión importante en química y se le llama entropía.

La entropía ayuda a hacer posibles las reacciones químicas y a predecir la cantidad de trabajo útil que se puede extraer de ellas.

La espontaneidad en química no indica la rapidez de un proceso, sino su capacidad termodinámica de ocurrir sin energía externa.

La entropía es una función de estado y se puede calcular a través de la diferencia entre los valores de los productos y los reactivos.

La reacción entre bario hidróxido ocatodratado y cloruro de amoníaco es un ejemplo de proceso espontáneo que absorbe calor.

La fórmula de Gibbs explica la cantidad de energía en un sistema disponible para realizar trabajo útil.

El cambio en entropía y en entalpía determina si una reacción es impulsada por entalpía o entropía.

El signo de la energía libre de Gibbs (ΔG) indica si una reacción es espontánea o no.

La reacción de bario hidróxido es impulsada por la entropía, a pesar de absorber calor.

El aumento de desorden (entropía) fue suficiente para mantener la reacción en movimiento, incluso sin necesidad de energía térmica adicional.

La fórmula de Gibbs confirma que la reacción es espontánea al ser ΔG negativo, lo que indica que libera energía.

Los sistemas tienden a alcanzar el estado de energía más bajo, y la energía libre de Gibbs (ΔG) se acerca a ese nivel mínimo.

El episodio de Crash Course Chemistry cubre conceptos clave como la entropía, la energía libre de Gibbs y la espontaneidad de las reacciones.

Transcripts

Life is chaos. The whole universe is chaos.

Whether it's the terrible state of my office or the slow degradation of my body into dust,

the universe tends toward disorder.

But why, why is the universe structured in this terrible and callous way?

Well, it turns out that it's not really the universe's fault.

If you think about it there's only one way, or at best, maybe a few ways for things to be arranged in an organized way.

But there are nearly infinite other ways for those same things to be arranged.

The simple rules of probability dictate that it's much more likely for stuff,

whether it's the stuff on my desk or the particles and energy that make up my concept of self,

to be in one of the many disorganized states than in one of the few organized states.

It's simple math and it's unavoidable.

So unavoidable that it is in fact our Second Law of Thermodynamics, which says that:

"Any spontaneous process increases the disorder or randomness of the universe."

Processes that don't increase the disorder of the universe require work to be done in opposition to the disorder,

and are in fact often impossible to achieve.

The very act of putting one system in order requires that other systems become disordered.

Think of it this way: Your lunch was composed of an extremely ordered set of molecules.

And it gave you the energy to clean up your house, maybe.

And it had to be broken down into less ordered nutrient molecule for you to do that.

Carbohydrates, proteins, and lipids, and those molecules were broken down even further as

they were converted to energy in your cells,

and your body used some of that energy to power your muscles as you cleaned your house.

But a bunch of that energy was used to do things like keep your heart beating, and breathe, and make sweat,

and some of that was lost to the surroundings in the form of random movement, and most importantly, heat.

By the time you've finished your house may be orderly but the remains of your lunch molecules are all over the place.

And that's only one of the many systems that became less orderly while you worked.

So yes, cleaning your house in fact increased the overall disorder of the universe.

Next time someone gives you a hard time about the state of your house you can tell them that.

Obviously disorder is a pretty big deal in the universe, and that makes it a pretty big deal in chemistry.

So scientists have a special name for it: entropy.

Entropy is a measure of molecular randomness, or disorder.

And even though people complain about the disorder in their lives, it's not all bad news.

Entropy helps make chemical reactions possible,

and it helps us predict how much useful work can be extracted from a reaction.

We all have to live with disorder so you might as well understand it.

For the next ten minutes I want you to embrace the chaos.

[Theme Muusic]

So what does the Second Law of Thermodynamics mean when it says:

"Any spontaneous process increases the disorder of the universe."

"Spontaneous" simply means a process that doesn't need outside energy to keep it going.

And it goes the other way too, anything that increases the disorder of the universe happens spontaneously.

That doesn't mean disorderly things will always happen though, other factors may interfere.

The reaction to change a diamond into graphite, for example, would be thermodynamically spontaneous.

It wouldn't have to be forced along by outside energy,

but the bonds in the diamond are so stable that essentially it never gets started.

Lots of other chemical reactions are like this too.

So even though we think of "spontaneous" meaning sudden and impulsive, like the majority of mall lip piercings,

in chemistry "spontaneous" doesn't tell you how quickly something happens,

it only means a reaction is thermodynamically capable of happening without outside energy to move it along.

Though come to think of it, I imagine that spontaneous lip piercings cause a fair amount of disorder as well,

especially upon arriving home.

Entropy is another state function.

It doesn't depend on the pathway the system took to reach its current state.

So even though we can't measure the entropy of reactants or products directly, we can calculate them.

We can also calculate the change in entropy during a reaction exactly like we can for the change in enthalpy,

by subtracting the sum of the reactant values from the sum of the product values.

In other words, the formulas look exactly the same, just substituting "S"

(which for some reason is used to denote entropy) for "Delta H F".

Notice we dropped the "Delta"s on the right side of the formula

because we know absolute values for entropy of individual reactants and products.

We keep the "Delta" on the left

because we're calculating the change in entropy that occurs when the reactants rearrange into products.

What the heck is this good for?

Well, we can explain a mysterious thing, which is how reactions occur spontaneously in nature

even though there's no energy given off, or even they suck energy out of the environment,

and seem to go up the energy ladder instead of down.

Let's try it out with a real reaction here on my desk -- this is one of my favorites.

This is barium hydroxide octahydrate and this is ammonium chloride.

Usually we do chemical reactions in aqueous solution because most solids don't interact easily,

but this pair is exception to that rule; they react readily in solid form.

This reaction absorbs a lot of heat from the surroundings, making everything around it feel cold.

Now to show you how cold it gets, I'm going to do something here.

And you're just going to have to assume you understand what I'm doing.

"What am I doing? What is happening? Why am I doing this? That's weird Hank.

Why are you doing that?" And then I put that on there.

So now I've dumped barium hydroxide in this beaker, I'm gonna dump the ammonium chloride in.

And now one of the by-products of this reaction is ammonia so I'm gonna have to smell that, but you don't.

Oooh ye-eah, look at that slush.

I think we've reacted pretty much completely here and so we should, if all things have gone properly --

yep, that's pretty cool --- sucked enough heat out of the block of wood to actually freeze it to the beaker.

Normally in chemistry a reaction that proceeds spontaneously and yet absorbs heat is really weird.

Basically I have a hard time believing what I just did.

So what does entropy have to do with this little freak show?

You might think it has something to do with taking the heat from the surroundings to make the system colder,

but while that's counter-intuitive and cool, that's not all of it.

You might also think that it has to do with two solids combining to form a whole bunch more liquids and gases,

and that IS a big part, but still not all.

To understand what we just saw a little better, we need to put it all together.

Let's start by finding out exactly how much heat it did absorb and what happened to the entropy as well.

First, we'll find the enthalpy change using Hess's Law and standard enthalpies of formation.

We can use the coefficients from the balanced chemical equation to fill in the number of moles for each substance.

Then we have to look up a whole bunch of numbers

(remember, you can find tables like this online and probably in the back of your chemistry textbook too).

When we plug the standard enthalpies of formation into the formula and do the math,

we find that the change in standard enthalpy is plus 166 kilojoules.

It's positive, which makes sense because the reaction absorbed the thermal energy,

enough to create about a half a kilogram of ice if it had been surrounded by water instead of air and fingers.

Next, we'll find the entropy change: remember, the basic equation is the same.

We put in the number of moles from the balanced chemical equation

and the standard entropies from the table

and a quick calculation tells us that the change in standard entropy is 590 joules per Kelvin.

A positive result means the entropy of the reaction increased,

meaning the products were more disordered than the reactants.

Note that the standard enthalpy is in kilojoules while the standard entropy is in joules per Kelvin.

The energy units should match, so let's call the standard entropy 0.594 kilojoules per Kelvin.

It doesn't look like much right now, but wait, there's more.

Those numbers don't explain why the reaction proceeds spontaneously,

even though it scavenges all that heat from the environment.

But Josiah Willard Gibbs, he found a way to explain it, and he didn't even mean to.

Gibbs was interested in the amount of energy in a system that was available or free to do useful work.

Today, we call this Gibbs free energy or sometimes the standard free energy or simply free energy of the system.

Like enthalpy or entropy, Gibbs free energy is a state function, so it can be calculated the same way.

We simply substitute "Delta G," which stands for Gibbs free energy, for "Delta H" or "S."

The standard free energy of formation, written like this,

is the change of free energy that occurs when a substance is formed from its elements at a standard state.

It's analogous to the standard enthalpy of formation that we use to calculate change in enthalpy.

Like enthalpy and entropy, we can't directly the free energy change of the whole reaction.

So scientists created a baseline by setting the standard free energy change of formation

for an element in its most stable form at standard state to zero.

The standard free energy change of formation for a compound, then,

is just the difference between its standard free energy and that baseline.

But what if you don't know the standard free energies of formation for the products and reactants?

Well, they're often listed in tables, but sometimes the ones you need aren't available.

Never fear, Willard Gibbs has an app for that. It's actually a formula, but he figured it out.

In 1873, Gibbs calculated that at constant pressure and temperature,

the change in standard Gibbs free energy for a reaction equal the change in standard enthalpy

minus the product of the temperature and the change in standard entropy.

In other words, the amount of free energy a reaction makes available to do work depends on two

and only two things: the enthalpy change, the amount of heat the reaction transfers,

and the entropy change, the amount of disorder it creates at a given temperature.

So which is more important, the heat transfer or the disorder? Well, it depends.

A large change in enthalpy can determine the direction of a free energy change,

even if the entropy changes in the opposite direction, and vice versa.

If the absolute value of the change in enthalpy is greater than the absolute value of the product of the temperature

and the change in entropy (or "T Delta S"), then we say that the reaction is enthalpy-driven.

this means that the flow of thermal energy provides most of the free energy in the reaction.

On the other hand, if the absolute value of "T Delta S" is greater than the absolute value of the enthalpy change,

we call the reaction entropy-driven, meaning increasing disorder provides most of the reaction's free energy.

Which type was the barium hydroxide reaction?

Well, I'm gonna say that the temperature in here is about 25 degrees Celsius, or 298.15 Kelvin,

because I'm awesome like that -- I can just tell.

When we multiply that by the change in entropy that we calculated,

0.594 kilojoules per kelvin, we get a value of 177 kilojoules.

If we compare that to the change in enthalpy we calculated, 166 kilojoules,

it is clear that the "T Delta S" is higher than the "Delta H", so the reaction is entropy-driven -- no surprise there.

Even though the reaction absorbed a lot of thermal energy, this phenomenon was dwarfed by the increase in entropy.

And this makes sense, because the balanced equation goes from three total moles of solids,

with their molecules locked in place, to one mole of solid, ten moles of liquid, and two moles of gas.

This is a massive increase in disorder,

because in addition to the fact that there are now 13 moles of particles to move around instead of just 3,

the liquid and gas are particularly good at moving around,

so most of those particles are in random motion, no longer stuck in one spot,

causing a large increase in disorder, or entropy.

But here's the coolest part, Gibbs formula also tells us whether the reaction is spontaneous or not.

We know all systems tend toward the lowest possible energy state, whether its a ball rolling down a hill,

elastic springing back into shape, or positive and negative ions forming a bond.

"Delta G" is a type of energy, obviously, so it spontaneously approaches the minimum possible level.

So if the value for "Delta G" is negative, that is if the free energy decreases, the reaction is spontaneous.

Reactions that are able to release free energy don't need external energy to make them proceed,

and that's the very definition of a spontaneous reaction.

So if "Delta G" is positive, the reaction is non-spontaneous, but the reverse reaction is spontaneous.

If "Delta G" is zero, the reaction is in an equilibrium state and no discernible occurs in either direction.

So what about the reaction I just did?

Is it spontaneous at room temperature? Can it occur without energy driving it along?

Well, yes because we just watched it happen, but let's do the math!

Using Gibbs Formula and plugging in the numbers we've calculated so far,

we see that the Gibbs free energy for this reaction is negative 11 kilojoules.

It is indeed spontaneous, because it releases energy instead of requiring it in order to get started.

The energy that was produced was used to rearrange the bonds in the reactants,

to make smaller product molecules, to break attractions between molecules,

and to push some of the particles apart from solid form into liquid and gas form,

which increased the entropy of the system.

So even though the reaction absorbed a lot of thermal energy, it didn't NEED that energy to make it proceed,

because the large change in entropy alone was enough to keep things moving along.

So Gibbs formula confirms our earlier results with just one little subtraction -- pretty smart guy.

And now, some of his smartness has been transferred into you,

now that you've watched this episode of Crash Course Chemistry.

If you paid any attention, you learned:

that it's hard to stay organized because there are so many ways to be disorganized,

that the second law of thermodynamics says disorder, or entropy, happens everywhere,

and that the change in entropy ultimately depends on how much room molecules have to move around in,

how much heat heat energy they have to give off in reactions, and the temperature around them.

You learned about Josiah Willard Gibbs and his formula to calculate the Gibbs free energy for a reaction,

that both entropy and Gibbs free energy are state functions,

and that the sign of the Gibbs free energy tell us whether or not a reaction is spontaneous.

This episode of Crash Course Chemistry was written by Edi Gonzalez.

The script was edited by Blake de Pastino, and our chemistry consultant was Dr. Heiko Langner.

It was filmed, edited and directed by Nicholas Jenkins. Our script supervisor was Caitlin Hofmeister.

Our sound designer is Michael Aranda, and our graphics team is Thought Cafe.