Energia livre de Gibbs

A energia livre de Gibbs está relacionada com entalpia, entropia e temperatura de um sistema. É usada para determinar se uma reação química é espontânea ou não.

A energia livre de Gibbs é definida como a quantidade máxima de energia útil que pode ser reaproveitada de um sistema termodinâmico em condições de pressão constante. Foi proposta pelo físico estadunidense Josiah Willard Gibbs em 1878 e é usada para determinar a espontaneidade de reações químicas. Veja mais sobre a energia livre e aprenda a realizar seu cálculo.

O que é a energia livre de Gibbs

A energia livre do sistema é toda energia que é reaproveitada de maneira útil. Em reações químicas, essa energia é responsável pela reorganização do sistema após o acontecimento da reação. É representada como uma variação de energia pela letra grega delta (Δ) e a letra G, portanto ΔG. Além disso, ela depende da variação de entalpia (H) e de entropia (S) do sistema, bem como a temperatura absoluta (em Kelvin).

Tratando-se de reações químicas, a energia livre de Gibbs é usada para determinar a espontaneidade delas. De modo geral, quando ΔG > 0, ou seja, se é positivo, a reação não é espontânea. Se ΔG < 0, ele é negativo e acontece uma liberação de energia pelo sistema, resultando em uma reação espontânea. Ainda, ΔG pode ser nulo e, quando isso acontece, o equilíbrio químico é atingido.

Como determinar e calcular

O cálculo de ΔG é feito por uma equação matemática que correlaciona as variações de entalpia e entropia, além da temperatura absoluta de um sistema. Veja abaixo:

ΔG = ΔH – T.ΔS

Em que:

  • ΔG: variação da energia livre de Gibbs (J ou cal);
  • ΔH: variação de entalpia do sistema (J/mol ou cal/mol);
  • ΔS: variação de entropia do sistema (J/mol.K ou cal/mol.K);
  • T: temperatura do sistema (Kelvin).

Unidades de energia livre de Gibbs

  • Caloria (cal);
  • Quilocaloria (kcal), em que 1 kcal = 1000 cal;
  • Joule (J);
  • Quilojoule (kJ), em que 1 kJ = 1000 J.

A energia livre de Gibbs pode ser expressa em qualquer uma dessas unidades, desde que seja condizente com todas as unidades de medidas dos outros termos da equação. Por exemplo, se entalpia é dada em joule, a unidade de medida da energia livre deve ser em joule também. Além disso, vale ressaltar que 1 kcal equivale a 4,18 kJ, do mesmo modo que 1 cal = 4,18 J.

Energia livre de Gibbs X energia livre de Helmholtz

Em estudo termodinâmico, tanto a energia de Gibbs quanto a de Helmholtz medem a quantidade de energia do sistema que pode ser utilizada na forma de trabalho. A diferença é que a energia livre de Gibbs é definida quando a pressão é constante, enquanto a energia livre de Helmholtz é definida em volume constante.

Por isso, essa última é mais empregada nos estudos de engenharia química, visto que os processos acontecem em reatores de volume constante. As reações estudadas em química tendem a acontecer em pressão atmosférica, consequentemente, constante.

Vídeos sobre a energia de Gibbs

Agora que o conteúdo já foi apresentado, veja abaixo vídeos selecionados que ajudam a assimilar e compreender melhor o tema do estudo de processos químicos.

Entropia e energia livre de Gibbs

Para entender o conceito de energia livre de Gibbs, é preciso saber o que a entropia representa, visto que são duas ideias que se complementam. A entropia mede a desordem de um sistema e tende sempre a aumentar. Em contrapartida, a energia livre mede a quantidade de energia que pode ser reaproveitada em um processo e é o que mostra a espontaneidade das reações químicas. Entenda sobre esses dois conceitos.

Energia de Gibbs e a espontaneidade de reações

Processos de transformação química e reações acontecem de forma espontânea ou não, e essa análise pode ser feita a partir da dimensão da energia livre de Gibbs do processo. Se uma reação não for espontânea, é necessária a aplicação de algum tipo de estímulo externo que favoreça a ocorrência dela, e seu ΔG é positivo. Por outro lado, as reações espontâneas acontecem naturalmente, apenas ao misturar os reagentes, e possuem um ΔG negativo. Entenda mais sobre isso no vídeo acima.

Resolução de exercício sobre a energia livre

A energia livre está atrelada ao conceito de entropia e indica a máxima energia útil que se pode aproveitar de um sistema, ou seja, que possa ser aproveitada. Analisar o ΔG de reações químicas indica sua espontaneidade. Veja um resumo sobre o conceito de energia livre de Gibbs e a resolução de um exercício sobre esse tema que tem ganhado cada vez mais espaço em vestibulares do Brasil todo.

Em síntese, a energia livre de Gibbs é definida como a quantidade de energia máxima que pode ser reaproveitada por um sistema termodinâmico em pressão constante. Ela é usada para determinar a espontaneidade de reações químicas. Não pare de estudar por aqui: aprenda também sobre a variação de entalpia!

Referências

Fundamentos de Físico-Química (1986) – Gilbert Castellan
Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente (2005) – Peter Atkins e Loretta Jones
Química: a ciência central (1999) – Theodore L. Brown, Eugene H. LeMay, Bruce E. Bursten e Julia R. Burdge

Lucas Makoto Tanaka dos Santos
Por Lucas Makoto Tanaka dos Santos

Bacharel em Química pela Universidade Estadual de Maringá (UEM), mestrando em Química Analítica, com ênfase em desenvolvimento de métodos analíticos, metabolômica e espectrometria de massas no Laboratório de Biomoléculas e Espectrometria de Massas (LaBioMass), na mesma universidade.

Como referenciar este conteúdo

Tanaka dos Santos, Lucas Makoto. Energia livre de Gibbs. Todo Estudo. Disponível em: https://www.todoestudo.com.br/quimica/energia-livre-de-gibbs. Acesso em: 26 de November de 2021.

Exercícios resolvidos

1. [UECE - Adaptada]

Josiah Willard Gibbs (1839 – 1903) foi um pesquisador norte-americano que contribuiu para a determinação da energia livre de um sistema termodinâmico por meio de uma lei que é associada ao seu nome. Em se tratando de energia livre e de entropia, analise as seguintes proposições:

I. A energia livre pode ser positiva ou negativa, mas nunca pode ser nula.
II. A energia livre é a totalidade de energia de um sistema termodinâmico e pode ser usada para a realização de trabalho útil.
III. Toda a reação exotérmica é espontânea.
IV. A variação de entropia de uma reação espontânea pode ser negativa.

É correto o que se afirma somente em:

a) I e II.
b) III e IV.
c) I, III e IV.
d) II e IV.

Analisando as alternativas:

I. ERRADO. A variação de energia livre de Gibbs pode sim ser nula. Quando isso acontece, o equilíbrio químico é atingido em uma reação.
II. CORRETO. Ela pode ser reaproveitada pelo sistema.
III. ERRADO. Para que a reação exotérmica seja espontânea, a variação da entropia do sistema deve ser positiva, independentemente da temperatura, e não é sempre que isso ocorre.
IV. CORRETO. Desde que a variação de entalpia também seja negativa, a reação acontece de forma espontânea, pois o ΔG é negativo.

Portanto, a alternativa correta é: d) II e V.

2. [OSEC]

Considerando-se a transformação isotérmica:

N2O(g) → N2(g) + O2(g) a 25°C

Sabendo-se que a variação de entalpia (ΔH) é -19,5 kcal/mol e que a variação de entropia (ΔS) é 18 cal/mol.K, podemos afirmar que a variação de energia livre (ΔG) do sistema é:

a) +19,25 kcal e espontâneo
b) -24,86 kcal e espontâneo
c) -19,25 kcal e não espontâneo
d) +24,86 kcal e não espontâneo
e) +38,50 kcal e espontâneo

Os dados fornecidos foram:

ΔH = – 19,5 kcal/mol
ΔS = 18 cal/mol.K
T = 25 °C
É preciso transformar todos os dados para as unidades de medidas adequadas: temperatura em Kelvin e entropia em kcal/mol.K (quilocaloria por mol por kelvin).

A transformação de temperatura °C para Kelvin é feita pela adição de 273 ao valor.

T = 25 + 273

Para converter caloria em quilocaloria, é preciso dividir o valor por 1000. As outras unidades da entropia não se alteram. Sendo assim:

ΔS = 18/1000 kcal/mol.K

Os dados passam a ser:
ΔH = – 19,5 kcal/mol
ΔS = 0,018 kcal/mol.K
T = 298 K

Agora, basta realizar a conta colocando os valores na equação para a energia livre de Gibbs:

ΔG = ΔH – T.ΔS
ΔG = – 19,5 – 298.0,018
ΔG = -19,5 – 5,364
ΔG = – 24,864 Kcal/mol

Como esse processo tem ΔG negativo, é uma reação espontânea.
Dessa forma, a alternativa correta é: b) -24,86 kcal e espontâneo.

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