A energia livre recebeu este nome em função de ter sido
deduzida pelo cientista Josiah Willard Gibbs, nos Estados Unidos no
século XIX, cientista este que foi responsável pelos fundamentos da
termodinâmica e pela Físico-Química.
A energia livre de Gibbs (∆Gº), é uma grandeza termodinâmica definida como a diferença entre variação de entalpia (∆Hº) e a temperatura (T) vezes a variação de entropia (∆Sº) em uma reação. De acordo com a equação abaixo:
∆Gº=∆Hº – T∆Sº
onde:
∆Hº= é uma função de estado chamada de variação de entalpia que informa a variação de energia em pressão constante.
T= a temperatura é uma grandeza física intensiva que
é influenciada ou sofre influência das variações energéticas durante a
movimentação das partículas.
∆Sº= a variação de entropia é uma função de estado que informa a variação de energia em função do estado de liberdade das partículas.
A energia livre é simplesmente um método de
medição do trabalho máximo realizado durante um processo. Essa função é
uma das mais usadas na química e na bioquímica em virtude desta
acompanhar a maioria dos processos reacionais, em virtude de a energia
livre ser capaz de predizer se uma reação é espontânea, isto é, caso a
temperatura e a pressão sejam constantes. Para que um processo ocorra
espontaneamente ∆Gº deve ser negativa como, por exemplo, uma reação
exotérmica que apresenta um alto valor negativo de entalpia, onde a
entalpia é decisiva na determinação da energia livre, o que por sua vez é
favorecido por um valor pequeno e positivo de T∆Sº. Se a ∆Gº=0 o sistema está em equilíbrio, tendência de toda reação química.
A variação de energia livre em Bioquímica
A ∆Gº negativa em bioquímica é rigorosamente seguida
sob pena de uma reação não ocorrer caso o valor da grandeza seja
positivo ou a liberação energética seja baixa. A vida nos organismos
aeróbios existe simplesmente por que eles derivam a energia livre
contida na glicose, por exemplo, através da oxidação onde a entalpia é
negativa favorecendo um valor negativo de variação de energia livre,
aumentando a entropia do ambiente quando estes liberam o CO2 e H2O de acordo com a reação:
Equilíbrio Químico e ΔG°
A variação de energia livre ΔG de um sistema representa a energia
requerida para que seja realizado trabalho útil, em sua mudança de
estado. No decorrer da reação observamos que a capacidade de realização
de trabalho útil vai gradativamente diminuindo, com o consumo dos
reagentes e formação de produto deste modo o sistema atinge o equilíbrio
dinâmico, o que mostra que a ΔG tanto dos produtos quanto dos reagentes
são iguais fornecendo ΔG=0. De acordo com o diagrama abaixo se conclui
que:
ΔG= 0 | Sistema atingiu equilíbrio dinâmico |
ΔG= positiva | A reação ocorre em favor dos reagentes |
ΔG= negativa | Segue para o estado de equilíbrio |
Ou expressando por meio das equações:
Onde : R é a constante de Boltzman ou seja R= 0,082 L atm-1
T é temperatura em Kelvins(K) onde K= T em °C + 273,15
Eletroquímica e ΔG°
Quando ΔG° se aproxima de zero em uma célula
eletroquímica, esta atingiu o equilíbrio. Onde, os reagentes e os
produtos encontram-se na mesma quantidade e a bateria descarregou sua
carga dizemos que este sistema encontra-se em equilíbrio. Diante disso
um cientista chamado Nernest deduziu uma equação capaz de fornecer a
força eletromotriz (fem) através da energia livre, “por que a energia livre é proporcional a fem que depende da concentração dos reagentes na célula.” Essa relação é mais bem expressa através das equações:
ΔG= ΔG° + RTlnK onde:
ΔG= -nFE e ΔG°=-nFEº substituindo,
-nfE=-nFEº+RT lnK dividindo os termos por –nF temos:
E=Eº- RT/nF lnK ( Equação de Nernest)
Calculando a energia livre de Gibbs
Calcule a variação de energia livre da formação da amônia a 25ºC e 1atm. Quando ∆Hº= -46,11KJ∙mol-1 e ∆Sº=-99,37 J∙K-1∙mol-1, de acordo com a reação:
Passo 1: Transformar a temperatura que está em Celsius para Kelvin e a variação de entropia de J∙K-1∙mol-1 para KJ∙K-1∙mol-1.
Passo 2: substituir na equação os dados:
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