TERMODINÁMICA: Potencial químico

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1 TERMODINÁMICA: Potencial químico μ i : potencial químico de i, es la contribución de 1 mol de dicha sustancia a G. Puede variar con las condiciones (P, T, vecinos). Por ej., μ etanol puro μ etanol en agua Consideremos una solución con 2 fases, A y B: G=n A μ A +n B μ B ΔG=μ A Δ n A +μ B Δ n B Pero Δ n A = Δ n B Entonces, Δ G=μ A Δ n A μ B Δ n A =(μ A μ B )Δ n A En equilibrio: Fuera del equilibrio: Δ G=0 μ A =μ B Δ G<0 μ >μ Δ n <0 A B A μ A <μ B Δ n A >0 Conclusión, en equilibrio, las fases tienden a igualar sus μ. fuera del equilibrio, la fase con mayor μ tiende a pasar a la fase con < μ. Esto se generaliza a soluciones con muchas fases (las relaciones son válidas para cada fase, independientemente de las demás). 1

2 TERMODINÁMICA: Potencial químico Δ G=ΔG 0 +RT ln( P i P 0) Δ G=Δ G 0 +RT ln(q) Gas ideal Δ G=ΔG 0 +RT ln(x i ) Δ G=ΔG 0 +RT ln( c i c 0) Componentes en solución diluida Δ G=ΔG 0 +RT ln( m i m 0) Y si el gas no es ideal, o la solución no esta diluida? Generalizamos las formulas anteriores a Δ G=ΔG 0 +RT ln (a i ) donde a i es la actividad de la componente i. Es una magnitud que incluye los efectos no ideales. La actividad es una magnitud con valor 1 si el sistema está en su estado estándar. 2

3 SOLUCIONES - Tipos Tipos de soluciones: Mezclas homogéneas de 2 o más componentes. Pueden ser gaseosas, líquidas o sólidas. Ejemplos) Aire(g) = N 2 (g) + O 2 (g) + Ar + CO 2 (g) +... Soda(l) = H 2 O(l) + CO 2 (g) Agua con sal(l) = H 2 O(l) + NaCl(s) Bronce(s) = Cu(s) + Zn(s) Palabras clave: Solvente, soluto, solvatación (hidratación). Solución saturada: solvente contiene la máxima cantidad de soluto que puede disolver Solución no saturada y solución sobresaturada Solución sobresaturada: no es muy estable Cristalización vs precipitación 3

4 SOLUCIONES Disolución Aplicación de la ley de Hess a la disolución: + ΔH disolución ΔH sep_1 ΔH sep_2 ΔH unión + ΔH = 0 ΔH disolución = ΔH sep_1 + ΔH sep_2 + ΔH unión >0 >0 <0 ΔS disolución > 0 ΔH puede ser favorable a la disolución o no, pero ΔS es siempre favorable ΔG disolución = ΔH disolución T ΔS disolución 4

5 SOLUCIONES Concentración Medidas de concentración: Fracción molar de un componente A: Molaridad: X A = n A (i= A, B,C,...) n i M= i moles de soluto litros de solucion Molalidad: m= moles de soluto kg de solvente 5

6 SOLUCIONES Ley de Raoult presión de vapor del solvente presión parcial del solvente P 0 1 P 1 agrego un soluto no volátil P 1 < P 0 1 El sistema quiere aumentar la entropía. Eso lleva a la evaporación de algunas moléculas. Este sistema está más desordenado. No hay tanta necesidad de aumentar S. La adición del soluto disminuye la tendencia de las moléculas del solvente a escapar de la fase líquida. Propiedad coligativa (no depende de la identidad del soluto) La presión de vapor de una solución es menor que la del solvente solo: P 1 =X 1 P 1 0 ó P 1 0 P 1 P 1 0 =X 2 Ley de Raoult 6

7 SOLUCIONES Ley de Raoult PREGUNTA Sea un recipiente (A) con agua pura y otro (B) con una solución de agua azucarada, llenos hasta el mismo nivel. Se los pone bajo una campana. Qué pasará con los niveles de los recipientes? 1) Los niveles se mantienen constantes 2) El nivel de (A) sube, mientras que el de (B) baja 3) El nivel de (A) baja, mientras que el de (B) sube 4) Depende de la concentración de azúcar 7

8 SOLUCIONES Ley de Raoult RESPUESTA Sea un recipiente (A) con agua pura y otro (B) con una solución de agua azucarada, llenos hasta el mismo nivel. Se los pone bajo una campana. Qué pasará con los niveles de los recipientes? 1) Los niveles se mantienen constantes 2) El nivel de (A) sube, mientras que el de (B) baja 3) El nivel de (A) baja, mientras que el de (B) sube 4) Depende de la concentración de azúcar 8

9 SOLUCIONES Ley de Raoult Y si el soluto también es volátil? Los 2 componentes cumplen la ley de Raoult: 0 0 P 1 =X 1 P 1 P 2 =X 2 P 2 Dalton: P=P 1 +P 2 =X 1 P X 2 P 2 0 =X 1 P 1 0 +(1 X 1 ) P 2 0 P=(P 1 0 P 2 0 ) X 1 +P 2 0 Ejemplo) Solución de benceno y tolueno (los 2 volátiles) Cumplen la ley de Raoult: solución ideal Algunas soluciones se desvían de Raoult, son no ideales. Imágenes de Chang y Goldsby, Química 11 ra ed. 9

10 SOLUCIONES Cambios en el diagrama de fases Punto de fusión: disminuye Punto de ebullición: aumenta Linea continua: agua pura Linea punteada: solución de agua Δ T e =k e m ΔT f =k f m m: molalidad de la solución k e : constante molal de elevación del punto de ebullición k f : constante molal de disminución del punto de fusión Imágenes de Chang y Goldsby, Química 11 ra ed. 10

11 SOLUCIONES Presión osmótica Δt Agua pura Solución acuosa Membrana semi-permeable El solvente tiende a ir en la dirección de mayor concentración de soluto, con una presión osmótica π: π=r M T Es como si el fluido quisiera igualar la concentración de los dos lados de la membrana. Notar que M = n/v, o sea, πv = nrt, como la ec. del gas ideal! Soluciones con igual π (o igual concentración): isotónicas Soluciones con mayor (menor) π: hipertónicas (hipotónicas) 11

12 SOLUCIONES Presión osmótica PREGUNTA Los glóbulos rojos tiene π ~ 8 atm. Qué pasa si son colocados en una solución fuertemente hipotónica? 12

13 SOLUCIONES Presión osmótica RESPUESTA Los glóbulos rojos tiene π ~ 8 atm. Qué pasa si son colocados en una solución fuertemente hipotónica? Explotan 13

14 SOLUCIONES Presión osmótica PREGUNTA Qué es la solución fisiológica salina? 14

15 SOLUCIONES Presión osmótica RESPUESTA Qué es la solución fisiológica salina? Una solución de agua y sal, con la concentración típica de la sangre (~0.85% en peso de NaCl) 15

16 SOLUCIONES Presión osmótica PREGUNTA Se puede matar a una bacteria con azúcar? 16

17 SOLUCIONES Presión osmótica RESPUESTA Se puede matar a una bacteria con azúcar? Si. Si la bacteria es colocada en una solución hipertónica, el líquido de su interior saldrá, colapsando su célula. Por eso las conservas llevan mucha azúcar. 17

18 SOLUCIONES Solubilidad De qué depende la solubilidad de una solución? De cuatro factores: 1) Solvente 2) Soluto 3) T 4) P 18

19 SOLUCIONES Solubilidad 1 y 2) Naturaleza del solvente y soluto Lo semejante disuelve a lo semejante (esta en una buena aproximación a la disolución) Solvente y soluto con mismas características químicas (ej, momentos dipolares), tendrán interacciones intermoleculares altas solvente soluto solución + Ej) Solubilidad de NaCl en: Agua (polar) > 311 g/l Alcohol etílico (poco polar) ---> 0.51 g/l Nafta (no polar) > 0 g/l 19

20 SOLUCIONES Solubilidad 3) Temperatura Regla general usualmente correcta para solutos gaseosos: A > T, < solubilidad (Al calentar agua se forman burbujas de aire ==> la solubilidad del aire disminuye) Regla general usualmente correcta para solutos sólidos: A > T, > solubilidad 20

21 SOLUCIONES Solubilidad 4) Presión La presión no afecta significativamente la solubilidad de líquidos y sólidos Regla general correcta para solubilidad de gases: A > P, > solubilidad c=k P Ley de Henry c = solubilidad (molaridad del soluto disuelto, mol/l) k = constante de Henry para un gas P = presión parcial del gas Explicación: P 1 P 2 >P 1 c 2 > c 1, ya que hay más moléculas gaseosas entrando al agua 21

22 SOLUCIONES Electrolitos Electrolitos: son aquellas moléculas que se disocian en solución, separándose en partes cargadas. Por ejemplo, NaCl Na + + Cl - Electrolitos fuertes: se disocian completamente --> HCl, NaCl, NaOH Electrolitos débiles: se disocian parcialmente -----> NH 3, HC 2 H 3 O 2 (ac. acético) Lo importante en las propiedades coligativas (cambio de T e, T f, π) es la concentración del soluto. Por lo tanto, un electrolito tendrá mayor influencia, ya que se divide en 2 o más partes. Las leyes quedan: Δ T e =i k e m ΔT f =i k f m π=i R M T i= N de partículas soluto después de la disolución N de partículas soluto antes de la disolución (factor de van t Hoff ) (el i real es un poco menor al i predicho, ya que algunos iones forman pares anión/catión, reduciendo el número de solutos: teoría de Debye-Huckel) 22

23 SOLUCIONES Coloides Cuando el tamaño de las partículas de un soluto es del orden de entre 10-9 y 10-6 m, se obtiene una solución coloidal, suspensión coloidal o coloide. El coloide está en el límite entre que la mezcla de solvente y soluto sea heterogénea (el soluto se distingue del solvente) y homogénea (solución). Fase continua - Fase discontinua (medio dispersor fase dispersa) Gas - líquido Gas - sólido Líquido - gas Líquido - líquido Líquido - sólido Sólido - gas Sólido - líquido (ambas fases son continuas) Sólido - sólido Nombre (ejemplo) aerosol (niebla) aerosol (humo) espuma (crema batida) emulsión (mayonesa) sol (leche de magnesia) espuma (piedra pómez, merengue) gel (gelatina, queso) sol sólida (aleaciones: acero) 23

24 SOLUCIONES Coloides Efecto Tyndall: los coloides dispersan la luz, las soluciones no. solución coloide El aire es un coloide (polvo, humo, etc) 24

25 SOLUCIONES Coloides Ejemplo) Estabilización de coloides hidrofóbicos: La grasa está compuesta por partículas hidrofóbicas. Es decir, será inestable en agua. Hay 2 opciones: 1) Se unen todas las partículas de grasa en una sola masa. 2) Con ayuda de otro agente, se estabilizan individualmente (esto es lo que hace el jabón). Ver figura Molécula de jabón (estearato de sodio) Cabeza hidrofílica (Na + ) Cadena hidrofóbica (CH 2 ) Grasa (hidrofóbica) 25