Ejercicio resuelto de Energía libre de Gibbs · Química · 2020

a) Dada la escasez y el precio tan elevado de los derivados del petróleo, se piensa en el dihidrógeno como el combustible que podría sustituirlos. El dihidrógeno reacciona con el oxígeno y produce energía mediante el proceso químico siguiente:

$2\,\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O(l)} \qquad \text{con } \Delta H < 0$

i) Justifique que se trata de una reacción de oxidación-reducción.

ii) Explique, de forma razonada, si esta reacción química es espontánea a temperaturas bajas.

b) Nombre los compuestos $\mathrm{CH_3CH_2COOH}$ y KCl.

$\textbf{a) i) Justifique que se trata de una reacción de oxidación-reducción.}$

Una reacción es redox cuando hay transferencia de electrones, lo que se detecta viendo que algún elemento cambia su número de oxidación. Basta asignarlos a los tres compuestos.

En las sustancias simples $\mathrm{H_2}$ y $\mathrm{O_2}$ el número de oxidación es $0$, porque los átomos enlazados son idénticos y no hay desplazamiento de carga. En el agua, el hidrógeno actúa con $+1$ y el oxígeno con $-2$.

$\mathrm{H}: 0 \rightarrow +1 \quad (\text{se oxida, cede electrones})$

$\mathrm{O}: 0 \rightarrow -2 \quad (\text{se reduce, capta electrones})$

Los dos elementos cambian su estado de oxidación, así que se trata efectivamente de un proceso de oxidación-reducción. Las semirreacciones son:

$\mathrm{H_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H^+} + 2\,e^- \qquad \mathrm{O_2} + 4\,\mathrm{H^+} + 4\,e^- \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$

El dihidrógeno es el reductor y el oxígeno el oxidante, que es justamente el fundamento de la pila de combustible.

$\textbf{a) ii) Explique, de forma razonada, si esta reacción química es espontánea a temperaturas bajas.}$

Sí lo es. El criterio es el signo de la energía libre de Gibbs:

$\Delta G = \Delta H - T\,\Delta S$

El enunciado indica $\Delta H < 0$: la reacción es exotérmica, y ese término favorece la espontaneidad.

En cuanto a la entropía, hay que fijarse en los estados de agregación. Se parte de 3 mol de gas y se llega a 2 mol de líquido, de modo que el desorden disminuye mucho y $\Delta S < 0$. El término $-T\,\Delta S$ es entonces positivo y se opone a la espontaneidad, tanto más cuanto mayor sea la temperatura.

Con los dos términos de signo negativo, la reacción es espontánea mientras el entálpico domine, es decir, $\textbf{a temperaturas bajas}$, y dejaría de serlo por encima de $T = \Delta H / \Delta S$.

Conviene distinguir espontaneidad de velocidad: la reacción es espontánea a temperatura ambiente, pero no ocurre a velocidad apreciable sin una chispa o un catalizador. Son cuestiones distintas, termodinámica una y cinética la otra.

$\textbf{b) Nombre los compuestos CH₃CH₂COOH y KCl.}$

$\mathrm{CH_3-CH_2-COOH}$ — $\textbf{ácido propanoico}$. Es el ácido carboxílico de tres carbonos, contando el del propio grupo funcional.

$\mathrm{KCl}$ — $\textbf{cloruro de potasio}$. El potasio actúa con $+1$ y el cloro con $-1$, de modo que la proporción es 1 a 1.