Equilibrios de Fases y la Regla de las Fases

Los equilibrios de fases describen la coexistencia de sólidos, líquidos, gases y soluciones, y la regla de las fases de Gibbs cuantifica cuántas condiciones pueden variar libremente mientras las fases permanecen en equilibrio.

Definition

Los equilibrios de fases son las condiciones bajo las cuales dos o más fases de la materia coexisten con igual potencial químico, y la regla de las fases es la relación, grados de libertad igual a componentes menos fases más dos, que fija el número de condiciones intensivas independientemente variables.

Scope

Este tema abarca la termodinámica de la coexistencia de fases: la igualdad de potenciales químicos entre fases, las ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron que rigen los límites de fase, y la construcción e interpretación de diagramas de fase para sustancias puras y mezclas. Incluye la regla de las fases de Gibbs que relaciona los grados de libertad con los componentes y las fases, las propiedades coligativas, la miscibilidad parcial, los eutécticos y la regla de la palanca, mientras que la cinética de nucleación y crecimiento queda fuera de su alcance.

Core questions

• ¿Por qué el potencial químico de cada componente debe ser igual en cada fase coexistente en equilibrio?
• ¿Cómo describen las ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron la pendiente de los límites de fase?
• ¿Cómo cuantifica la regla de las fases de Gibbs los grados de libertad en un sistema heterogéneo?
• ¿Cómo se interpretan los eutécticos, azeótropos y la miscibilidad parcial a partir de los diagramas de fase?

Key concepts

• Igualdad de potenciales químicos entre fases
• Ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron
• Regla de las fases de Gibbs y grados de libertad
• Diagramas de fase, líneas de unión y la regla de la palanca
• Eutécticos, azeótropos y propiedades coligativas

Key theories

Regla de las fases de Gibbs

Para un sistema en equilibrio, el número de variables intensivas que pueden cambiarse independientemente es igual al número de componentes menos el número de fases más dos, lo que restringe cuántas fases pueden coexistir y cómo se organizan los diagramas de fase.

Relación de Clausius-Clapeyron para límites de fase

La pendiente de una línea de coexistencia en un diagrama presión-temperatura está determinada por los cambios de entropía y volumen de la transición; para la vaporización y la sublimación, esto se reduce a la ecuación de Clausius-Clapeyron que relaciona la presión de vapor con la entalpía de transición.

Clinical relevance

Los equilibrios de fases rigen la destilación y la cristalización en la fabricación química, el procesamiento de aleaciones y cerámicas en la ciencia de materiales, la formación de minerales en geología, y la depresión del punto de congelación y los fenómenos osmóticos explotados en la crioprotección y la formulación farmacéutica.

History

Clapeyron derivó la ecuación para las pendientes de los límites de fase en 1834; la regla de las fases de Gibbs de la década de 1870 dio a los equilibrios heterogéneos una estructura combinatoria rigurosa, y Roozeboom y otros la aplicaron sistemáticamente para construir los diagramas de fase multicomponente que se volvieron centrales en la metalurgia y la química.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Benoit Paul Emile Clapeyron
• Hendrik Willem Bakhuis Roozeboom

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

¿Qué significa que un punto en un diagrama de fase tenga cero grados de libertad?

Es un punto invariante, como el punto triple de una sustancia pura, donde la temperatura y la presión están ambas fijas; cualquier cambio en las condiciones obliga a una de las fases coexistentes a desaparecer.

¿Por qué una mezcla líquida de dos componentes a veces no puede separarse completamente por destilación?

Algunas mezclas forman azeótropos, composiciones en las que el vapor y el líquido tienen una composición idéntica, por lo que la destilación ordinaria no puede enriquecer la mezcla más allá de ese punto sin cambiar la presión o añadir otro componente.