T3: Termoquímica · Espontaneidad y Entropía — QUIMICA PEvAU Andalucía 2025

T3: Termoquímica

Espontaneidad y Entropía

Teoría

2025 · Extraordinaria · Titular

a) Estudie la espontaneidad del siguiente proceso:

\ce{H2(g) + 1/2O2(g) -> H2O(g)}

\Delta H^0 = -241,8 \text{ kJ} \cdot \text{mol}^{-1}

b) Razone si la obtención de amoniaco a partir de sus elementos presenta un aumento o disminución de entropía.c) En qué caso coindice el valor del calor de reacción a presión constante y el valor del calor de reacción a volumen constante. Justique la respuesta utilizando la relación que existe entre ambas.d) Razone cómo varía la entropía en la fusión del hielo.

EspontaneidadEntropía

a) En el proceso

\ce{H2(g) + 1/2O2(g) -> H2O(g)}

, se observa una variación en el número de moles gaseosos de

\Delta n_g = 1 - (1 + 0,5) = -0,5

. Dado que el número de moles de gas disminuye, el desorden del sistema decrece, por lo que la variación de entropía es negativa (

\Delta S^0 < 0

La espontaneidad se determina mediante la energía libre de Gibbs: $\Delta G^0 = \Delta H^0 - T\Delta S^0$ . En este caso, el factor entálpico es favorable ( $\Delta H^0 = -241,8 \text{ kJ} \cdot \text{mol}^{-1} < 0$ ), mientras que el factor entrópico es desfavorable ( $-T\Delta S^0 > 0$ ya que $\Delta S^0 < 0$ ). El proceso será espontáneo a temperaturas bajas, donde el factor entálpico predomine sobre el factor entrópico, haciendo que $\Delta G^0 < 0$ .

b) La formación de amoniaco a partir de sus elementos se rige por la siguiente ecuación química ajustada:

\ce{N2(g) + 3H2(g)} -> \ce{2NH3(g)}

En esta reacción, el número de moles de sustancias gaseosas pasa de 4 en los reactivos a 2 en los productos ( $\Delta n_g = 2 - 4 = -2$ ). Al producirse una disminución en el número de partículas gaseosas, el sistema alcanza un estado de mayor orden, lo que se traduce en una disminución de entropía ( $\Delta S < 0$ ).

c) El calor de reacción a presión constante (

Q_p

) coincide con la variación de entalpía (

\Delta H

), mientras que el calor a volumen constante (

Q_v

) coincide con la variación de energía interna (

\Delta U

). La relación entre ambas magnitudes para una reacción entre gases ideales es:

Q_p = Q_v + \Delta n_g RT

Los valores de $Q_p$ y $Q_v$ coinciden cuando el término $\Delta n_g RT$ es igual a cero. Esto ocurre en reacciones donde no hay variación en el número de moles de las especies gaseosas ( $\Delta n_g = 0$ ) o, de forma trivial, si la temperatura absoluta fuese $0 \text{ K}$ .

d) Durante la fusión del hielo, se produce el cambio de estado de sólido a líquido según el proceso:

\ce{H2O(s)} -> \ce{H2O(l)}

En el estado sólido, las moléculas de agua están fijas en una estructura cristalina ordenada mediante enlaces de hidrógeno. Al fundirse, estas interacciones se debilitan y las moléculas adquieren una mayor libertad de movimiento y capacidad de adoptar múltiples microestados. Este incremento del desorden molecular implica que la entropía aumenta ( $\Delta S > 0$ ).