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1.9.5: Entropias- Soluciones- Entropías Molares Parciales Limitantes

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  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Una ecuación clave relaciona el potencial químico y la entropía molar parcial del soluto-\(j\). Para un soluto dado\(j\) en una solución acuosa,

    \[\mathrm{S}_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq})=-\left[\partial \mu_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq}) / \partial T\right]_{\mathrm{p}}\]

    Para apreciar la importancia de la ecuación (a) limitamos inicialmente nuestra atención a las propiedades de una solución cuyas propiedades termodinámicas son ideales. Una solución acuosa dada contiene soluto\(j\) a temperatura\(\mathrm{T}\) y presión ambiente (que está cerca de la presión estándar).

    \[\mu_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{id} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})=\mu_{\mathrm{j}}^{0}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})+\mathrm{R} \, \mathrm{T} \, \ln \left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} / \mathrm{m}^{0}\right)\]

    Usando la ecuación (a),

    \[\mathrm{S}_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{id} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})=\mathrm{S}_{\mathrm{j}}^{0}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})-\mathrm{R} \, \ln \left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} / \mathrm{m}^{0}\right)\]

    \(\mathrm{S}_{\mathrm{j}}^{0}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})\)es la entropía molar parcial del soluto\(j\) en una solución acuosa ideal que tiene molalidad unitaria [1,2]. Por lo tanto, para soluciones tanto reales como ideales [3],

    \[\operatorname{limit}\left(m_{j} \rightarrow 0\right) S_{j}(a q ; T ; p)=+\infty\]

    En otras palabras, la entropía molar parcial limitante para el soluto\(j\) es infinita. Curiosamente si la solución acuosa contiene dos solutos\(j\) y\(\mathrm{k}\), entonces la siguiente condición se mantiene para soluciones a temperatura\(\mathrm{T}\) y presión\(\mathrm{p}\).

    \[\operatorname{limit}\left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} \rightarrow 0 ; \mathrm{m}_{\mathrm{k}} \rightarrow 0\right)\left[\mathrm{S}_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})-\mathrm{S}_{\mathrm{k}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})\right]=\mathrm{S}_{\mathrm{j}}^{0}(\mathrm{aq})-\mathrm{S}_{\mathrm{k}}^{0}(\mathrm{aq})\]

    Del mismo modo

    \[\operatorname{limit}\left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} \rightarrow 0 ; \mathrm{m}_{\mathrm{k}} \rightarrow 0\right)\left[\mu_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})-\mu_{\mathrm{k}}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})\right]=\mu_{\mathrm{j}}^{0}(\mathrm{aq})-\mu_{\mathrm{k}}^{0}(\mathrm{aq})\]

    La entropía molar parcial del soluto\(j\) en una solución real viene dada por la ecuación (g).

    \ [\ begin {alineado}
    &S_ {j} (a q; T; p) =\\
    &S_ {j} ^ {0} (a q; T; p) -R\,\ ln\ izquierda (m_ {j}/m^ {0}\ derecha) -R\,\ ln\ izquierda (\ gamma_ {j}\ derecha) -R\, T\,\ izquierda [\ frac {\ parcial\ ln\ izquierda (\ gamma_ {j}\ derecha)} {\ T parcial}\ derecha] _ {p}
    \ final {alineado}\]

    Una solución acuosa dada que tiene propiedades termodinámicas que son ideales contiene un soluto\(j\), molalidad\(\mathrm{m}_{j}\). La entropía molar parcial del disolvente viene dada por la ecuación (h).

    \[\mathrm{S}_{1}(\mathrm{aq} ; \mathrm{id} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})=\mathrm{S}_{1}^{*}(\ell ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})+\mathrm{R} \, \mathrm{M}_{1} \, \mathrm{m}_{\mathrm{j}}\]

    Por lo tanto,

    \[\operatorname{limit}\left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} \rightarrow 0\right) \mathrm{S}_{1}(\mathrm{aq} ; \mathrm{id} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})=\mathrm{S}_{1}^{*}(\ell ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})\]

    Cuando se diluye una solución ideal, la entropía molar parcial del disolvente se aproxima a la del disolvente puro.

    Se prepara una solución acuosa dada utilizando\(1 \mathrm{~kg}\) disolvente y\(\mathrm{m}_{j}\) moles de soluto\(j\) a temperatura\(\mathrm{T}\) y presión\(\mathrm{p}\), estando esta última próxima a la presión estándar. La entropía de la solución viene dada por la ecuación (j).

    \[\mathrm{S}\left(\mathrm{aq} ; \mathrm{w}_{1}=1 \mathrm{~kg}\right)=\mathrm{M}_{1}^{-1} \, \mathrm{S}_{1}(\mathrm{aq})+\mathrm{m}_{\mathrm{j}} \, \mathrm{S}_{\mathrm{j}}(\mathrm{aq})\]

    En el caso de que las propiedades termodinámicas de la solución sean ideales la entropía de la solución viene dada por la ecuación (k).

    \ [\ begin {alineado}
    &\ mathrm {S}\ left (\ mathrm {aq};\ mathrm {id};\ mathrm {w} _ _ {1} =1\ mathrm {~kg}\ derecha) =\\
    &\ quad\ mathrm {M} _ {1} ^ {-1}\,\ izquierda [\ mathrm {S} _ _ {1} ^ {*} (\ ell) +\ mathrm {R}\,\ mathrm {M} _ {1}\,\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}}\ derecha] +\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}}\,\ left [\ mathrm {S} _ _ {\ mathrm {j}} ^ {0} (\ mathrm {aq}) -\ mathrm {R}\,\ ln\ izquierda (\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}}/\ mathrm {m} ^ {0}\ derecha)\ derecha]
    \ final {alineado}\]

    Curiosamente,

    \ [\ begin {alineado}
    &\ nombreoperador {límite}\ izquierda (\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}}\ fila derecha 0\ derecha)\ mathrm {S}\ izquierda (\ mathrm {aq};\ mathrm {id};\ mathrm {w} _ _ {1} =1\ mathrm {~kg}\ derecha) =\\
    &\ mathrm {M} _ {1} ^ {-1}\,\ mathrm {S} _ {1} ^ {*} (\ ell) + (0)\,\ left [\ mathrm {S} _ _ {\ mathrm {j}} ^ {0} (\ mathrm {aq}) -\ mathrm {R}\,\ ln\ izquierda (0/\ mathrm {m} ^ {0}\ derecha)\ derecha]
    \ final {alineado}\]

    Pero

    \[\operatorname{limit}\left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} \rightarrow 0\right) \mathrm{m}_{\mathrm{j}} \, \ln \left(\mathrm{m}_{\mathrm{j}} / \mathrm{m}^{0}\right)=0\]

    En otras palabras, la entropía para una solución ideal en el límite de dilución infinita viene dada por la entropía del disolvente puro. Para una solución real,

    \[\mathrm{S}_{1}(\mathrm{aq} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})=\mathrm{S}_{1}^{*}(\ell ; \mathrm{T} ; \mathrm{p})+\phi \, \mathrm{R} \, \mathrm{M}_{1} \, \mathrm{m}_{\mathrm{j}}+\mathrm{R} \, \mathrm{T} \, \mathrm{M}_{1} \, \mathrm{m}_{\mathrm{j}} \,\left(\frac{\partial \phi}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}\]

    Por lo tanto,

    \ [\ begin {alineada}
    &\ mathrm {S}\ izquierda (\ mathrm {aq};\ mathrm {w} _ {1} =1\ mathrm {~kg};\ mathrm {T};\ mathrm {p}\ derecha)\\
    &=\ mathrm {M} _ _ {1} ^ {-1}\,\ izquierda [\ mathrm {S} _ {1} ^ {*} (\ ell;\ mathrm {T};\ mathrm {p}) +\ phi\,\ mathrm {R}\,\ mathrm {M} _ {1}\,\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}} +\ mathrm {R}\,\ mathrm {T}\,\ mathrm {M} _ {1}\,\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}}\,\ izquierda (\ frac {\ parcial\ phi} {\ parcial\ mathrm {T}}\ derecha) _ {\ mathrm {p}}\ derecha]\\
    &\ quad+\ mathrm {m} _ {\ mathrm {j}\,\ left [\ mathrm {S} _ _ {\ mathrm {j}} ^ {0} (\ mathrm {aq};\ mathrm {T};\ mathrm {p}) -\ mathrm {R}\,\ ln\ izquierda (\ mathrm {m} _ _ {\ mathrm {j}}\,\ gamma_ {\ mathrm {j}}/\ mathrm {m} ^ {0}\ derecha) -\ mathrm {R}\,\ mathrm {T}\,\ izquierda (\ frac {\ parcial\ ln\ izquierda (\ gamma_ {\ mathrm {j}}\ derecha)} {\ parcial\ mathrm {T}}\ derecha) _ {\ mathrm {p}\ derecha]
    \ final {alineado}\]

    La diferencia\(\left[\mathrm{S}\left(\mathrm{aq} ; \mathrm{w}_{1}=1 \mathrm{~kg} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p}\right)-\mathrm{S}\left(\mathrm{aq} ; \mathrm{id} ; \mathrm{w}_{1}=1 \mathrm{~kg} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p}\right)\right]\) produce el exceso de entropía,\(\mathrm{S}^{\mathrm{E}}\left(\mathrm{aq} ; \mathrm{w}_{1}=1 \mathrm{~kg} ; \mathrm{T} ; \mathrm{p}\right)\).

    Notas al pie

    [1] Para una solución salina, la entropía molar parcial estándar de la sal viene dada por la suma de entropías molares parciales estándar de los iones. Para una sal 1:1,\(S_{j}^{0}(a q)=S_{+}^{0}(a q)+S_{-}^{0}(a q)\)

    [2] Y. Marcus y A. Loewenschuss, Annu. Rep. Prog. Chem., Ser. C, Phys. Chem., 1984, 81, capítulo 4.

    [3] Para comentarios sobre la entropía de dilución de soluciones salinas ver (un artículo clásico), H. S. Frank y A. L. Robinson, J. Chem. Phys.,1940, 8 ,933.

    [4] Para comentarios sobre entropías molares parciales de solutos apolares en soluciones acuosas ver, H. S. Frank y F. Franks, J. Chem. Phys.,1968, 48 ,4746.


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