Energia livre de Gibbs

A energia livre de Gibbs é uma variável física e matemática utilizada para determinar a espontaneidade de uma reação por meio da entalpia, entropia e temperatura.

Símbolo utilizado para representar a energia livre de Gibbs
Símbolo utilizado para representar a energia livre de Gibbs

A energia livre de Gibbs é uma grandeza física e matemática proposta no ano de 1883 pelo físico, matemático e químico norte-americano Josiah Willard Gibbs. O objetivo desse cientista era propor uma forma mais certa de determinar a espontaneidade de um processo.

De acordo com Gibbs, sempre que um processo (fenômeno) físico ou químico ocorre, parte da energia liberada ou produzida por ele é utilizada para reorganizar os átomos e moléculas presentes no sistema.

A energia livre de Gibbs é totalmente dependente da energia absorvida ou liberada pelo sistema (entalpia), do nível de organização dos átomos e das moléculas (entropia) e da temperatura em que o processo está ocorre.

Assim, por meio da energia livre de Gibbs, podemos afirmar se um processo físico ou químico ocorre de forma espontânea ou não. Para isso, é fundamental que conheçamos as seguintes variáveis do processo:

  • Variação de entalpia (?H);

  • Variação da entropia (?S);

  • Temperatura.

Fórmula para calcular a energia livre de Gibbs

?G = ?H - ?S. T

  • ?G = energia livre de Gibbs;

  • ?H = variação da entalpia;

  • ?S = variação da entropia;

  • T = temperatura em Kelvin.

Como se trata de uma variação, a energia livre de Gibbs pode apresentar um resultado negativo ou positivo. Segundo Gibbs, o processo será espontâneo apenas se a energia livre de Gibbs for negativa.

?G < 0: processo espontâneo

Unidades utilizadas na energia livre de Gibbs

Para a realização do cálculo da energia livre de Gibbs, é fundamental que o ?H e o ?S apresentem a mesma unidade:

?H = cal, Kcal, J ou KJ

?S = cal, Kcal, J ou KJ

Já a temperatura do processo deve estar sempre em Kelvin (K). Assim, a energia livre de Gibbs apresenta como unidade básica o KJ/mol ou o Kal/mol.

Interpretações aplicadas à fórmula da energia livre de Gibbs

a) Energia livre de Gibbs para ?S e ?H positivos

Se o ?H e o ?S forem positivos, o ?G será negativo (processo espontâneo) apenas se o valor da temperatura for grande o suficiente para que o produto ?S. T supere o valor do ?H. Por exemplo:

  • ?H = + 50 Kcal

  • ?S = + 20 Kcal

O ?G será negativo apenas se a Temperatura for igual ou superior a 3 K, pois, nessa temperatura, o produto ?S. T será igual a -60.

?G = ?H - ?S. T

?G = +50 - (+20).3

?G = +50 – 60

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?G = -10 Kcal/mol

b) Energia livre de Gibbs para ?S e ?G negativos

Se o ?H e o ?S forem negativos, o ?G será negativo (processo espontâneo) apenas se o valor da temperatura for pequeno o suficiente para que o produto ?S. T não supere o valor do ?H. Por exemplo:

  • ?H = - 50 Kcal

  • ?S = - 20 Kcal

O ?G será negativo apenas se a temperatura for igual ou inferior a 2,4 K, pois, nessa temperatura, o produto ?S. T será igual a -48.

?G = ?H - ?S. T

?G = -50 - (-20).2,4

?G = -50 + 48

?G = -2 Kcal/mol

c) Energia livre de Gibbs para ?S positivo e ?H negativo

Se o ?S for positivo, o produto ?S. T sempre será negativo. Como o ?H será negativo, o valor do ?G também será negativo (processo espontâneo) nessas condições, independentemente da temperatura do processo. Por exemplo:

  • ?H = - 50 Kcal

  • ?S = + 20 Kcal

  • T = 5K

?G = ?H - ?S. T

?G = -50 - (+20).5

?G = -50 – 100

?G = -150 Kcal/mol

d) Energia livre de Gibbs para ?H positivo e ?S negativo

Se o ?S for negativo, o produto ?S. T será positivo. Como o ?H será positivo, o processo jamais será espontâneo, independentemente da temperatura.

  • ?H = + 50 Kcal

  • ?S = - 20 Kcal

  • T = 5K

?G = ?H - ?S. T

?G = +50 - (-20).5

?G = +50 + 100

?G = +150 Kcal/mol

Exemplo

Exemplo 1: Uma reação química realizada a 2000 K e que apresenta uma variação de entalpia de 40 Kcal/mol e uma variação de entropia de 16 cal/mol pode ser considerada espontânea?

Dados do exercício:

  • ?H = + 40 Kcal

  • ?S = 16 cal

  • T = 2000K

Passo 1: transformar a unidade da variação da entropia para Kcal dividindo por 1000.

?S = 16 cal

?S = 16 cal : 1000

?S = 0,016 Kcal

Passo 2: utilizar os dados fornecidos na fórmula da energia livre de Gibbs:

?G = ?H - ?S. T

?G = 40 – 0,016. 2000

?G = 40 - 32

?G = 8 Kcal/mol

Passo 3: interpretar o resultado do cálculo do ?G.

Como o ?G encontrado é positivo, ou seja, maior que zero, logo, a reação não é espontânea.

Por: Diogo Lopes Dias

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