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Entropía y espontaneidad
Problema
2025 · Ordinaria · Reserva
3A
Examen
a) Calcule la variación de entropía que tiene lugar en la combustión del etanol:
CHX3CHX2OH(l)+3OX2(g)>2COX2(g)+3HX2O(l)\ce{CH3CH2OH(l) + 3O2(g)} -> \ce{2CO2(g) + 3H2O(l)}
b) Calcule a partir de qué temperatura será espontánea la reacción anterior.

Datos:

EspecieOX2(g)\ce{O2(g)}COX2(g)\ce{CO2(g)}HX2O(l)\ce{H2O(l)}CHX3CHX2OH(l)\ce{CH3CH2OH(l)}
S0(Jmol1K1)S^0 (\text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1})204,8204,8213,8213,869,869,8160,5160,5
ΔHf0(kJmol1)\Delta H_f^0 (\text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1})00393,5-393,5285,8-285,8277,3-277,3
EntropíaEspontaneidadEnergía libre de Gibbs
a) La variación de entropía estándar de la reacción se calcula como:
ΔSrxn0=Sproductos0Sreactivos0\Delta S^0_{rxn} = \sum S^0_{\text{productos}} - \sum S^0_{\text{reactivos}}
ΔSrxn0=[2S0(COX2(g))+3S0(HX2O(l))][S0(CHX3CHX2OH(l))+3S0(OX2(g))]\Delta S^0_{rxn} = [2 \cdot S^0(\ce{CO2(g)}) + 3 \cdot S^0(\ce{H2O(l)})] - [S^0(\ce{CH3CH2OH(l)}) + 3 \cdot S^0(\ce{O2(g)})]
ΔSrxn0=[2213,8+369,8][160,5+3204,8]\Delta S^0_{rxn} = [2 \cdot 213{,}8 + 3 \cdot 69{,}8] - [160{,}5 + 3 \cdot 204{,}8]
ΔSrxn0=[427,6+209,4][160,5+614,4]\Delta S^0_{rxn} = [427{,}6 + 209{,}4] - [160{,}5 + 614{,}4]
ΔSrxn0=637,0774,9=137,9  Jmol1K1\Delta S^0_{rxn} = 637{,}0 - 774{,}9 = -137{,}9 \; \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}

La variación de entropía es negativa, lo que es coherente con la disminución del número de moles de gas en la reacción (pasan de 3 moles de gas a 2 moles de gas).

b) Para determinar la temperatura a partir de la cual la reacción es espontánea, primero calculamos ΔHrxn0\Delta H^0_{rxn}:
ΔHrxn0=ΔHf,productos0ΔHf,reactivos0\Delta H^0_{rxn} = \sum \Delta H^0_{f,\text{productos}} - \sum \Delta H^0_{f,\text{reactivos}}
ΔHrxn0=[2(393,5)+3(285,8)][(277,3)+30]\Delta H^0_{rxn} = [2 \cdot (-393{,}5) + 3 \cdot (-285{,}8)] - [(-277{,}3) + 3 \cdot 0]
ΔHrxn0=[787,0+(857,4)][277,3]\Delta H^0_{rxn} = [-787{,}0 + (-857{,}4)] - [-277{,}3]
ΔHrxn0=1644,4+277,3=1367,1  kJmol1\Delta H^0_{rxn} = -1644{,}4 + 277{,}3 = -1367{,}1 \; \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}

Para que la reacción sea espontánea se debe cumplir ΔG<0\Delta G < 0. Aplicando la ecuación de Gibbs:

ΔG=ΔHTΔS<0\Delta G = \Delta H - T \Delta S < 0

Dado que el factor entálpico (ΔH0=1367,1  kJmol1\Delta H^0 = -1367{,}1 \; \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1}) es negativo y el factor entrópico (ΔS0=137,9  Jmol1K1\Delta S^0 = -137{,}9 \; \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}) es también negativo, el término TΔS-T\Delta S es positivo y crece con la temperatura, oponiéndose a la espontaneidad. La reacción será espontánea cuando el factor entálpico predomine sobre el factor entrópico, es decir, a temperaturas suficientemente bajas. La condición límite (ΔG=0\Delta G = 0) permite calcular la temperatura máxima por encima de la cual la reacción deja de ser espontánea:

T=ΔHΔS=1367,1×103  Jmol1137,9  Jmol1K1=9914  KT = \frac{\Delta H}{\Delta S} = \frac{-1367{,}1 \times 10^3 \; \text{J} \cdot \text{mol}^{-1}}{-137{,}9 \; \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}} = 9914 \; \text{K}

La reacción es espontánea (ΔG<0\Delta G < 0) para temperaturas inferiores a 9914  K9914 \; \text{K}, lo que en condiciones normales significa que la combustión del etanol es siempre espontánea.