Potencial Químico e Equilíbrio

O potencial químico mede como a energia livre de um sistema muda quando a matéria é adicionada, e igualar os potenciais químicos de reagentes e produtos determina a posição do equilíbrio químico.

Definition

Potencial químico é a energia livre de Gibbs molar parcial de uma espécie, e equilíbrio químico é o estado em que a energia de Gibbs total é minimizada, de modo que os potenciais químicos ponderados de reagentes e produtos são iguais.

Scope

Este tópico aborda o potencial químico como a energia de Gibbs molar parcial, sua dependência da temperatura, pressão e composição através da atividade e fugacidade, e seu papel como força motriz para reações e mudanças de fase. Ele desenvolve a condição de equilíbrio para uma reação, a relação entre a energia de Gibbs de reação padrão e a constante de equilíbrio, e a resposta do equilíbrio a mudanças nas condições através do princípio de Le Chatelier e da equação de van't Hoff. A medição calorimétrica da energética subjacente é tratada em um tópico separado.

Core questions

• Como o potencial químico de uma espécie depende de sua atividade ou pressão parcial?
• Por que o equilíbrio é atingido quando a energia de Gibbs de reação, e não a energia de Gibbs padrão, é zero?
• Como a constante de equilíbrio depende da temperatura através da equação de van't Hoff?
• Como o princípio de Le Chatelier prevê a resposta do equilíbrio a perturbações?

Key concepts

• Potencial químico e quantidades molares parciais
• Atividade, fugacidade e estados padrão
• Constante de equilíbrio e quociente de reação
• Equação de van't Hoff e dependência da temperatura
• Princípio de Le Chatelier

Key theories

Constante de equilíbrio a partir da energia de Gibbs de reação

A energia de Gibbs de reação é a inclinação da energia de Gibbs total ao longo da coordenada de reação; igualá-la a zero fornece a condição de equilíbrio e a relação entre a energia de Gibbs de reação padrão e a constante de equilíbrio.

Dependência da temperatura via equação de van't Hoff

A variação da constante de equilíbrio com a temperatura é governada pela entalpia de reação padrão, de modo que equilíbrios exotérmicos se deslocam para os produtos no resfriamento e os endotérmicos no aquecimento.

Clinical relevance

O potencial químico e o equilíbrio controlam o rendimento de sínteses industriais como o processo Haber-Bosch, a solubilidade e o particionamento de fármacos e poluentes, os equilíbrios ácido-base e de complexação em solução, e a energética de reações acopladas no metabolismo.

History

Gibbs introduziu o potencial químico na década de 1870; van't Hoff conectou a constante de equilíbrio à termodinâmica através de sua isócora na década de 1880, e Lewis introduziu posteriormente a atividade e a fugacidade para estender o tratamento rigorosamente a soluções e gases reais e não ideais.

Key figures

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

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Por que a atividade é usada em vez da concentração em expressões de equilíbrio?

Em soluções e gases não ideais, as moléculas interagem de modo que a disponibilidade efetiva difere da concentração ou pressão nominal; a atividade é a quantidade termodinamicamente corrigida que restaura a forma simples da constante de equilíbrio para sistemas reais.

Um catalisador altera a posição de equilíbrio?

Não. Um catalisador acelera a aproximação ao equilíbrio diminuindo a barreira de ativação em ambas as direções igualmente, mas não altera a constante de equilíbrio e a composição final do equilíbrio, pois estas são determinadas pela termodinâmica, não pela cinética.