Energia Livre de Gibbs

Por Luiz Ricardo dos Santos
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:

Bibliografia:
MOORE, W.J. "Físico-Química, Trad. 4a. Ed. , Edgard Blücher, São Paulo, 1976.
RUSSEL, JOHN B. "Química Geral". 2a. Ed., Makron Books, São Paulo, 1994.
P. W. Atkins, Físico-Química, Vol 1. LTC Editora, Rio de Janeiro 1999.