¿Cómo conocen las moléculas el futuro? ¿Cómo proceden para formar el compuesto "más estable"?

Question

Estoy dando clases particulares a unos cuantos alumnos de Química. Durante el curso, muchas veces uso la frase "De estas posibilidades esta es estable. Por tanto, está formada". Me preguntan: "¿Cómo lo saben las moléculas?".

Sinceramente, no lo sé. ¿Cómo conocen las moléculas el futuro? ¿Cómo proceden para formar el compuesto "más estable"?

Puesto cruzado: https://physics.stackexchange.com/questions/51894/how-do-the-molecules-of-reacting-compounds-proceed-to-form-most-stable-molecul

Answer 1

Las reacciones químicas se producen porque la energía térmica de una sustancia hace que las moléculas choquen entre sí, y cada vez que chocan hay alguna posibilidad de que se produzca una reacción. Se trata de un modelo demasiado simplificado, pero basta para intuir lo que ocurre.

Por supuesto, las moléculas no "saben" que una configuración es más estable que otra. Lo que ocurre es que las moléculas reaccionan al azar, una y otra vez; hacen una especie de recorrido aleatorio por las configuraciones disponibles. De vez en cuando, una molécula encontrará al azar su camino hacia el estado estable. Una vez que está allí, está "atrapada": tiene una probabilidad mucho menor de salir del estado estable. Eso es más o menos lo que significa que un estado sea estable.

Con el tiempo, más y más moléculas encontrarán su camino hacia el estado estable y se quedarán atrapadas, por lo que el resultado parece como si las moléculas "supieran" a qué estado ir y simplemente fueran directamente allí. Pero, en realidad, sólo llegaron allí a través del proceso de rebote aleatorio en el espacio de configuración, además de que el estado estable actúa como una trampa en la que las moléculas pueden entrar pero no salir (tan fácilmente).

Answer 2

Está claro que las moléculas no son en ningún sentido agentes volitivos. Simplemente están sujetas a las leyes básicas e inmutables de la termodinámica, la segunda de las cuales establece que cualquier sistema aislado siempre evoluciona espontáneamente hacia un estado de equilibrio en el que la entropía (que puede describirse informalmente como "desorden" o "aleatoriedad", es decir, la energía térmica distribuida de tal manera que no puede utilizarse para realizar un trabajo útil) es máxima. El aumento de la estabilidad es en realidad otro término para la minimización de la energía libre, es decir, la energía disponible para realizar un trabajo útil. Todas las reacciones químicas espontáneas irreversibles son aquellas en las que el cambio de energía libre es negativo, ya sea porque los reactivos químicos implicados experimentan un aumento de entropía, o porque la energía térmica liberada por la reacción aumenta suficientemente la entropía del entorno. La ecuación básica y simplificada para describir esta situación es

$$\ce{\Delta G\ =\ \Delta H\ -\ T\Delta S}$$

Dónde $\small\ce{\Delta G}$ es el cambio de energía libre, $\small\ce{\Delta H}$ es la entalpía (cambio de energía térmica), $\small\ce{T}$ es la temperatura absoluta, y $\small\ce{\Delta S}$ es el cambio de entropía. Si $\small\ce{\Delta G}$ es negativo para una reacción particular a una temperatura dada, la reacción procederá espontáneamente. En esencia, todo el universo evoluciona hacia un estado en el que la entropía se maximiza y la energía libre se minimiza, y sólo las reacciones químicas que contribuyen a ese fenómeno pueden tener lugar espontáneamente.