Energia livre de Gibbs e reações espontâneas

RKA9MB - Neste vídeo, vamos explorar a energia livre de Gibbs e, em particular, a sua utilidade na determinação da espontaneidade de uma reação, o que é super útil quando se trata de química e biologia. Esse processo foi definido por Josiah Willard Gibbs. Este jovem simpático senhor aqui. E o que veremos aqui é que esta famosa fórmula irá nos ajudar a prever se uma reação é ou não espontânea. Então, essa fórmula nos diz que a mudança na energia livre de Gibbs é igual à variação da entalpia, que é o ΔH (delta H), menos a temperatura multiplicada pela variação da entropia. Assim, a alteração na entalpia é a variação de energia de uma substância, que você pode ver como um índice de calor. E a variação na entropia é a agitação das partículas, é a desordem de um sistema. E isso aqui acontece dependendo de temperatura e pressão constantes. Isso parece difícil de se compreender, mas como veremos, ela faz muito sentido. Gibbs definiu isso pensando quanto a entalpia seria útil para o trabalho em uma reação. Quanto que a energia é livre para fazer as coisas acontecerem? Então, nós veremos como a mudança na energia livre de Gibbs pode prever se uma reação será ou não espontânea. E, para ser direta, se ΔG (delta G) for menor do que zero, a reação será espontânea. Ela vai acontecer assumindo que as coisas são capazes de interagir sozinhas. Agora, vamos pensar um pouco sobre porque isso faz sentido em diferentes cenários. Nesse primeiro cenário aqui: se a nossa mudança de entalpia é menor do que zero e a nossa entropia aumenta, a entalpia aqui diminui. Isso significa que nós teremos, então, uma liberação de energia no decorrer dessa reação. Vamos acabar, então, com menos entalpia do que começamos. Mas a entropia vai aumentar, ou seja, a agitação dessas partículas vai aumentar nesse sistema. O número de estados possíveis também aumenta. Isso faz muito sentido. Isso aqui, então, vai acontecer de forma espontânea. Se eu tenho essas duas moléculas aqui e elas estão prestes a colidir, e, quando elas chegam perto, é como se seus elétrons dissessem: "ei, espere! Há uma configuração melhor aqui! Podemos ter estados com menos energia, onde podemos liberar energia!". Isso, então, acaba acontecendo, e esses constituintes das moléculas são capazes de se separar. E você tem, então, aqui a energia liberada. A entropia, então, aumenta. E faz muito sentido que isso seja uma coisa natural, é espontânea. Então, aqui, nós teremos ΔG menor do que zero. E eu vou deixar destacadas as reações espontâneas. Agora, que tal essa aqui embaixo? Nessa aqui, ΔH, a variação da entalpia, é maior do que zero. Então, para que a reação aconteça, a sua entropia vai ter que diminuir. Você pode imaginar esses dois átomos aqui, ou talvez duas moléculas aqui, e elas estão próximas, mas os seus elétrons não interagem. É como se eles dissessem: "ei, não, não, não, não. Para! Espere aí!" Para que haja uma ligação, nós teríamos que chegar a um estado de energia mais elevado, e precisamos de um pouco de energia aí. Então, não dá, porque a nossa entropia está baixa. Então, essa reação não vai acontecer. Se ΔH é maior do que zero e a entropia é menor do que zero, todo esse termo aqui vai ser positivo (porque nós temos aqui menos este termo negativo aqui). Então, ele vai ser positivo. Então, nesta reação aqui, ΔG vai ser maior do que zero. Então, essa reação aqui não vai acontecer, porque ela precisa de energia. E isso faz algum sentido (pensar que isso não é espontâneo), afinal de contas, ele precisa de energia nesse sistema aqui para que essa reação aconteça. Agora, aqui, nós temos algumas outras permutações dessa forma. Então, aqui, nós temos uma variação de entalpia menor do que zero, uma variação da entropia também menor do que zero, e uma temperatura baixa. Então, se aqui a gente está lidando com ΔH menor que zero, havendo liberação de energia aqui, essa entropia diminui. Então, o que acontece? Bom, se a temperatura for baixa, essas partículas aqui serão capazes de se aproximar, os seus elétrons vão ser capazes de interagir, talvez até alcançar um estado de energia mais baixo, e, então, liberar energia. Eles liberam espontaneamente energia. Elétrons liberam energia. Isso pode acontecer porque a temperatura nesse sistema é baixa. Talvez nesse ponto você possa estar pensando: "espere aí! Isso não viola a segunda lei da termodinâmica?" Agora, você tem que lembrar que a entropia desse sistema diminui, mas há calor sendo lançado nesse sistema aqui. E o calor vai adicionar entropia para todo o sistema. Então, a segunda lei da termodinâmica se mantém. Agora, se você olhar só para esses componentes aqui, a entropia diminui. Então, ela vai ser espontânea. E, aí, nesse ponto, a gente volta aqui para a fórmula. Se a variação da entalpia for negativa e a variação da entropia for negativa, todo esse termo aqui, temperatura vezes variação de entropia, vai ser positivo. Mas, se a temperatura for suficientemente baixa, a entropia não vai importar nessa reação. Então, se a temperatura é baixa, a entropia não pesa tanto. Então, a entalpia é quem assume a reação. Assim, nessa situação, ΔG será negativo. Deixe-me pegar a cor correta aqui. ΔG será negativo. E essa reação será espontânea. Deixe-me circulá-la aqui também. Agora, se você tem esse cenário aqui com variação de entalpia e de entropia semelhantes, mas a temperatura alta, você vai ver o comportamento dessas duas mesmas moléculas aqui de forma diferente. Aqui, essas moléculas estão como que zunindo ao passarem umas pelas outras, e isso não deixa que os elétrons tenham chance de interagir para que a reação possa seguir em frente. Assim, isso aqui é uma situação em que a reação não será espontânea. Então, você pode imaginar que, se a temperatura for alta, esse termo aqui, temperatura vezes ΔS (delta S), vai importar muito. E, portanto, essa aqui é uma situação em que o nosso ΔG é maior do que zero. Então, essa reação não é espontânea. Até aqui, tudo o que eu mostrei é apenas para salientar como que essa fórmula de Gibbs faz sentido. Lembrando que ela só é válida em condições em que a temperatura e a pressão são constantes. E essas são suposições válidas se estamos lidando com coisas em um tubo de ensaio, ou com sistemas biológicos. Agora, vamos ver aqui. Aqui, nesse sistema. Se a mudança na entalpia é positiva, a mudança na entropia aumenta caso essas moléculas reajam. Só que a nossa temperatura é baixa. Então, se elas reagirem, talvez pudessem se separar e fazer algo como isso aqui: assumir uma nova configuração. Mas elas não vão fazer isso. Porque, quando elas se aproximarem umas das outras, elas poderiam dizer algo como: "ei, você sabe, todos os nossos elétrons são muito agradáveis, há configurações pouco estáveis aqui. Então, eu não vejo nenhuma razão para reagir com você". E, se você olhar para essas diferentes variáveis aqui, se a variação na entalpia for positiva, mesmo que a variação na entropia seja positiva também, se a temperatura for baixa, isso não vai ser capaz de ser um valor maior do que a variação da entalpia. Então, nós teremos um ΔH maior do que a variação de entropia. Então, nesse caso aqui, ΔG é maior do que zero. Então, essa reação também não é espontânea. Então, você pode pensar: "bom, então, vamos aumentar a energia cinética média dessas moléculas aqui". Nenhuma das reações ainda vai acontecer, porque, ainda assim, os elétrons exigem alguma energia para poder formar essas ligações. Isso porque tem toda uma desorganização sendo criada aqui nesse sistema. É menos provável que haja novas ligações. Agora, se você olhar para esse sistema aqui então, com a variação da entalpia positiva e a da entropia também, em um sistema com a temperatura alta, mesmo que esse ΔH aqui seja positivo, o ΔS também sendo positivo, à temperatura alta, este valor aqui ao final será negativo. E será um valor maior do que a entalpia. Então, nesse caso aqui, ΔG é menor do que zero, e essa reação acontece de forma espontânea. Vamos deixá-la ressaltada aqui. Eu espero que eu tenha lhe dado uma ideia sobre a aplicabilidade da fórmula da energia livre de Gibbs, que é válida somente em condições de temperatura e pressão constantes. Agora, você pode olhar para os sistemas biológicos e bioquímicos e ver que há um ΔG para essas reações. E, assim, você pode identificar: é um ΔG negativo, então vai ser uma reação espontânea. Mas, se é um ΔG igual a zero, então é um sistema que está em equilíbrio. E um ΔG positivo? O ΔG positivo é uma reação que não ocorrerá de forma espontânea.