Potencial Químico y Equilibrio

El potencial químico mide cómo cambia la energía libre de un sistema cuando se añade materia, y la igualación de los potenciales químicos de los reactivos y productos determina la posición del equilibrio químico.

Definition

El potencial químico es la energía libre de Gibbs molar parcial de una especie, y el equilibrio químico es el estado en el que la energía total de Gibbs se minimiza, de modo que los potenciales químicos ponderados de los reactivos y productos son iguales.

Scope

Este tema abarca el potencial químico como la energía de Gibbs molar parcial, su dependencia de la temperatura, la presión y la composición a través de la actividad y la fugacidad, y su papel como fuerza impulsora de la reacción y el cambio de fase. Desarrolla la condición de equilibrio para una reacción, la relación entre la energía de Gibbs estándar de reacción y la constante de equilibrio, y la respuesta del equilibrio a los cambios en las condiciones a través del principio de Le Chatelier y la ecuación de van't Hoff. La medición calorimétrica de la energética subyacente se trata en un tema aparte.

Core questions

• ¿Cómo depende el potencial químico de una especie de su actividad o presión parcial?
• ¿Por qué se alcanza el equilibrio cuando la energía de Gibbs de reacción, no la energía de Gibbs estándar, es cero?
• ¿Cómo depende la constante de equilibrio de la temperatura a través de la ecuación de van't Hoff?
• ¿Cómo predice el principio de Le Chatelier la respuesta del equilibrio a las perturbaciones?

Key concepts

• Potencial químico y cantidades molares parciales
• Actividad, fugacidad y estados estándar
• Constante de equilibrio y cociente de reacción
• Ecuación de van't Hoff y dependencia de la temperatura
• Principio de Le Chatelier

Key theories

Constante de equilibrio a partir de la energía de Gibbs de reacción

La energía de Gibbs de reacción es la pendiente de la energía total de Gibbs a lo largo de la coordenada de reacción; al igualarla a cero se obtiene la condición de equilibrio y la relación entre la energía de Gibbs estándar de reacción y la constante de equilibrio.

Dependencia de la temperatura a través de la ecuación de van't Hoff

La variación de la constante de equilibrio con la temperatura se rige por la entalpía estándar de reacción, por lo que los equilibrios exotérmicos se desplazan hacia los productos al enfriarse y los endotérmicos al calentarse.

Clinical relevance

El potencial químico y el equilibrio controlan el rendimiento de las síntesis industriales como el proceso Haber-Bosch, la solubilidad y el reparto de fármacos y contaminantes, los equilibrios ácido-base y de complejación en solución, y la energética de las reacciones acopladas en el metabolismo.

History

Gibbs introdujo el potencial químico en la década de 1870; van't Hoff conectó la constante de equilibrio con la termodinámica a través de su isocora en la década de 1880, y Lewis introdujo posteriormente la actividad y la fugacidad para extender el tratamiento rigurosamente a soluciones y gases reales no ideales.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

¿Por qué se utiliza la actividad en lugar de la concentración en las expresiones de equilibrio?

En soluciones y gases no ideales, las moléculas interactúan de modo que la disponibilidad efectiva difiere de la concentración o presión nominal; la actividad es la cantidad termodinámicamente corregida que restablece la forma simple de la constante de equilibrio para sistemas reales.

¿Un catalizador cambia la posición del equilibrio?

No. Un catalizador acelera el acercamiento al equilibrio al disminuir la barrera de activación en ambas direcciones por igual, pero deja la constante de equilibrio y la composición final del equilibrio inalteradas porque estas están determinadas por la termodinámica, no por la cinética.