Glosario de química

Espontaneidad de una reacción

La espontaneidad de una reacción se refiere a su capacidad para ocurrir sin intervención externa.

Definición de espontaneidad

En termodinámica química, una reacción espontánea es aquella que ocurre sin necesidad de aporte continuo de energía externa una vez iniciada. Es importante: «espontáneo» no significa instantáneo ni rápido. Significa termodinámicamente favorable.

La oxidación del hierro al aire es espontánea: ocurre sin que nadie la fuerce, pero tarda años. La combustión del papel es espontánea pero necesita una chispa de activación.

El criterio termodinámico: la energía libre de Gibbs

El único criterio termodinámico riguroso de espontaneidad a presión y temperatura constantes es el signo de la variación de energía libre de Gibbs (ΔG):

ΔG = ΔH − T · ΔS

donde:

• ΔH: variación de entalpía (calor absorbido o cedido).
• ΔS: variación de entropía (cambio de desorden).
• T: temperatura absoluta (K).

Las reglas:

• ΔG < 0 → reacción espontánea.
• ΔG > 0 → reacción no espontánea (necesita energía externa).
• ΔG = 0 → sistema en equilibrio.

Análisis caso por caso

Los signos de ΔH y ΔS determinan el comportamiento:

Ejemplos:

• Combustión (ΔH < 0, ΔS > 0): siempre espontánea.
• Condensación del agua (ΔH < 0, ΔS < 0): espontánea solo si T es baja (<100 °C).
• Disolución del NH₄NO₃ (ΔH > 0, ΔS > 0): espontánea a temperatura ambiente.
• Síntesis de NH₃ (ΔH < 0, ΔS < 0): espontánea a baja T, no a alta T.

Diferencia entre espontaneidad y velocidad

Espontaneidad ≠ velocidad:

• Una reacción puede ser espontánea (ΔG < 0) y muy lenta (E_a alta). Ejemplo: el diamante es termodinámicamente menos estable que el grafito a presión normal (ΔG < 0 para diamante → grafito), pero la conversión es tan lenta que un diamante tarda más que la edad del universo en convertirse en grafito.
• Una reacción puede ser rápida pero no espontánea si se le aporta energía continua (ej: cargar una batería).

La cinética estudia la velocidad; la termodinámica estudia la espontaneidad. Son disciplinas complementarias.

Cómo calcular ΔG

A partir de ΔH y ΔS

ΔG = ΔH − T · ΔS

Importante: las unidades. Si ΔH está en kJ/mol y ΔS en J/(mol·K), hay que pasar ΔS a kJ/(mol·K):

ΔG (kJ/mol) = ΔH (kJ/mol) − T (K) · ΔS (kJ/mol·K)

A partir de ΔG° de formación

Para cualquier reacción aA + bB → cC + dD:

ΔG°_reacción = c · ΔG°_f(C) + d · ΔG°_f(D) − a · ΔG°_f(A) − b · ΔG°_f(B)

Los ΔG° de formación de los elementos en estado estándar son 0 por convención.

A partir del cociente de reacción

Para una reacción en condiciones no estándar:

ΔG = ΔG° + RT · ln Q

En equilibrio, ΔG = 0 y Q = K (constante de equilibrio):

ΔG° = −RT · ln K

Esta es una de las ecuaciones más importantes de la termodinámica química: conecta termodinámica con equilibrio.

Temperatura crítica para la espontaneidad

Cuando ΔH y ΔS tienen el mismo signo, hay una temperatura crítica (T_c) donde ΔG = 0:

T_c = ΔH / ΔS

• Si ΔH < 0 y ΔS < 0: por encima de T_c la reacción es no espontánea.
• Si ΔH > 0 y ΔS > 0: por encima de T_c la reacción es espontánea.

Ejemplo: la descomposición CaCO₃ → CaO + CO₂ tiene ΔH > 0 y ΔS > 0. Se vuelve espontánea por encima de T_c ≈ 1.150 K (840 °C), por eso la calcinación industrial requiere hornos muy calientes.

Relación con el equilibrio químico

La constante de equilibrio K mide hasta qué punto se completa una reacción espontánea:

• K >> 1: ΔG° << 0. La reacción se desplaza casi completamente a productos.
• K << 1: ΔG° >> 0. Apenas se forman productos.
• K ≈ 1: ΔG° ≈ 0. Productos y reactivos en cantidades comparables.

Esta relación cuantifica la diferencia entre «termodinámicamente favorable» (ΔG° < 0) y «cinéticamente alcanzable» (depende de la velocidad).

Errores frecuentes en exámenes

• Confundir espontaneidad con rapidez: una reacción espontánea puede ser muy lenta. La cinética es independiente de la termodinámica.
• Asumir que las reacciones espontáneas son siempre exotérmicas: la disolución de NH₄NO₃ es endotérmica (absorbe calor, se enfría) y aun así espontánea por el aumento de entropía.
• Calcular ΔG sin pasar ΔS de J/K a kJ/K: error de unidades común.
• Olvidar que ΔG depende de la temperatura: a una T la reacción es espontánea, a otra no. Hay que especificar siempre T.

Aplicaciones prácticas

• Predecir si una reacción es viable antes de realizarla en laboratorio.
• Diseñar procesos industriales (T y P óptimas para favorecer espontaneidad).
• Bioquímica: las reacciones biológicas que no son espontáneas se acoplan a la hidrólisis de ATP (ΔG = −30,5 kJ/mol) para hacerlas viables.
• Estabilidad de compuestos: indica si una sustancia se descompondrá espontáneamente con el tiempo.
• Electroquímica: la FEM de una pila se relaciona con ΔG por la ecuación ΔG = −n F ε.