15: Potencial Químico, Fugacidad, Actividad y Equilibrio
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En los Capítulos 11 a 14, definimos el potencial químico, la fugacidad y la actividad. Encontramos numerosas relaciones entre estas cantidades. En las Secciones 15.1 y 15.2, resumimos las principales relaciones entre el potencial químico y la fugacidad y entre el potencial químico y la actividad. A partir de entonces, presentamos algunas ideas básicas sobre los potenciales químicos, fugacidades y actividades de líquidos, sólidos, solventes y solutos. Utilizamos estas ideas para relacionar los cambios estándar de energía libre de Gibbs con las fugacidades y actividades en sistemas en equilibrio.
- 15.1: El potencial químico y la fugacidad de un gas
- La fugacidad de un gas en cualquier sistema es una medida de la diferencia entre su potencial químico en ese sistema y su potencial químico en su hipotético estado estándar de gas ideal a la misma temperatura. El potencial químico de A en un sistema particular, μA, es el cambio en la energía libre de Gibbs cuando las cantidades de los elementos que forman un mol de A pasan de sus estados estándar como elementos al sistema (muy grande) como un mol de sustancia A.
- 15.2: El potencial químico y la actividad de un gas
- Para hacer predicciones sobre procesos que involucran la sustancia A, necesitamos información sobre el potencial químico de A. Introducir la fugacidad no introduce nueva información; la fugacidad es simplemente una manera conveniente de relacionar el potencial químico con la composición del sistema. La relación de fugacidad es válida tanto si podemos medir realmente el potencial químico como si no. Para utilizar la relación para los cálculos prácticos, debemos conocer ambos, por supuesto.
- 15.3: La presión-dependencia de la fugacidad y actividad de una fase condensada
- Hasta el momento, hemos investigado la fugacidad y actividad sólo para los gases. Consideremos ahora un sistema que consiste enteramente en la sustancia A presente como un líquido puro o un sólido puro. Suponemos que la temperatura es fija y que la presión sobre esta fase condensada puede variarse. Para nuestra presente discusión, no importa si la fase condensada es líquida o sólida.
- 15.4: Estados estándar para la fugacidad y actividad de un sólido puro
- Si la sustancia es un líquido a una barra y la temperatura de interés, el líquido puro es el estado estándar para el cálculo de la entalpía y la energía de Gibbs de formación. A partir de mediciones térmicas, podemos encontrar la energía Gibbs estándar de formación de este líquido. Si podemos medir la presión de vapor de la sustancia y encontrar una ecuación de estado que describa el comportamiento del vapor real, también podemos encontrar su fugacidad y la energía estándar de Gibbs de formación de su hipotético gas ideal
- 15.5: El potencial químico, la fugacidad y la actividad de un sólido puro
- La relación entre la energía libre de Gibbs estándar de formación de una sustancia cuyo estado estándar es un sólido y la energía libre de Gibbs de la sustancia en su hipotético estado estándar ideal-gas es esencialmente la misma que se describe en la sección anterior para un líquido. En cada caso, para encontrar la fugacidad de la fase condensada en su estado estándar, es necesario encontrar un camino reversible que lleve a la sustancia en fase condensada a su hipotético estado estándar de gas ideal.
- 15.6: Potencial Químico, Fugacidad y Equilibrio
- En la práctica, una gran cantidad de sustancias no son volátiles. No se puede medir la energía libre de formación de Gibbs de sus hipotéticos estados estándar de gas ideal y sus fugacidades. Para tales sustancias, recurrimos a otros estados estándar y utilizamos actividades para expresar la constante de equilibrio.
- 15.7: Potencial, Actividad y Equilibrio Químicos
- La relación entre la constante de equilibrio y el cambio de energía libre estándar de Gibbs para una reacción es extremadamente útil. Si podemos calcular el cambio estándar de energía libre de Gibbs a partir de valores tabulados, podemos encontrar la constante de equilibrio y predecir la posición de equilibrio para un sistema en particular. Por el contrario, si podemos medir la constante de equilibrio, podemos encontrar el cambio de energía libre estándar de Gibbs.
- 15.8: La tasa de cambio de energía libre de Gibbs con el grado de reacción
- Si un sistema de reacción no está en equilibrio, el grado de reacción depende del tiempo.