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 QUIMICA ANALITICA Equilibrio Químico Equilibrio químico. Propiedades de estado. Criterio de equilibrio. E nergía Libre de Gibbs. Potencial Químico. Evolución hacia el equilibrio . Estados estándar . Criterio termodinámico de equilibrio . Criterio termodinámico para ocurrencia de reacción química.  EQUILIBRIO QUÍMICO  El concepto de equilibrio químico es el principal concepto que informa la Química Cuantitativa. La mayoría de los experimentos físico -químicos son investigaciones de las propiedades del estado de equilibrio, o de las velocidades de aproximación hacia el equilibrio. La característica que define el  equilibrio químico es un conjunto de propiedades invariables , no obstante estar sufriendo el mundo físico cambios constantemente.  Un organismo vivo debe su identidad individual, entre otras cosas, al hecho de no  estar en equilibrio químico.  Considerada desde el punto de vista de átomos y moléculas individuales una solución en equilibrio químico aparece como un caos dinámico al azar. Pero si se considera una solución en equilibrio como un conjunto de un gran número de moléculas, la misma se encuentra caracterizad a por una semejanza invariable de todas sus partes. En una solución l a temperatura, la presión y la composición química son las mismas en todas las partes del sistema. Esta cualidad de homogeneidad macroscópica  invariables de un sistema en equilibrio permite la descripción del estado de este sistema en términos de un reducido conjunto de propiedades de estado. "El estado" de un sistema en equilibrio puede especificarse completamente con los valores de temperatura, presión y composición química ; o de temper atura, volumen y composición. Otros conjuntos de propiedades de estado pueden escogerse de forma que definen y caracterizan un estado particular del sistema. En esto se basan la entidad y la utilidad de los métodos de equilibrio. La mayoría  de las propiedades macroscópicas de interés para el químico  tienen valores únicos  en el equilibrio que pueden ser medidos cuando se fija el estado del sistema.  Asimismo, el estado queda determinado cuando se fija las propiedades de estado idóneas en el equilibrio. Este tipo de descripción ignora "la historia" anterior del sistema químico, considerándola  disponible a partir de las propiedades del estado en equilibrio, puesto que el sistema puede haber tenido acceso al equilibrio por diferentes caminos, a partir de varios estados anteriores.

Equilibrio QuímicoV1

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un poco de teoria sobre equilibrio quimico

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  • QUIMICA ANALITICA

    Equilibrio Qumico

    Equilibrio qumico. Propiedades de estado. Criterio de equilibrio. Energa Libre de Gibbs. Potencial Qumico.

    Evolucin hacia el equilibrio. Estados estndar. Criterio termodinmico de equilibrio. Criterio termodinmico para

    ocurrencia de reaccin qumica.

    EQUILIBRIO QUMICO

    El concepto de equilibrio qumico es el principal concepto que informa la Qumica

    Cuantitativa.

    La mayora de los experimentos fsico-qumicos son investigaciones de las propiedades del

    estado de equilibrio, o de las velocidades de aproximacin hacia el equilibrio.

    La caracterstica que define el equilibrio qumico es un conjunto de propiedades invariables,

    no obstante estar sufriendo el mundo fsico cambios constantemente.

    Un organismo vivo debe su identidad individual, entre otras cosas, al hecho de no estar en

    equilibrio qumico.

    Considerada desde el punto de vista de tomos y molculas individuales una solucin en

    equilibrio qumico aparece como un caos dinmico al azar. Pero si se considera una solucin en

    equilibrio como un conjunto de un gran nmero de molculas, la misma se encuentra caracterizada

    por una semejanza invariable de todas sus partes. En una solucin la temperatura, la presin y la

    composicin qumica son las mismas en todas las partes del sistema.

    Esta cualidad de homogeneidad macroscpica invariables de un sistema en equilibrio

    permite la descripcin del estado de este sistema en trminos de un reducido conjunto de

    propiedades de estado.

    "El estado" de un sistema en equilibrio puede especificarse completamente con los valores

    de temperatura, presin y composicin qumica; o de temperatura, volumen y composicin. Otros

    conjuntos de propiedades de estado pueden escogerse de forma que definen y caracterizan un

    estado particular del sistema.

    En esto se basan la entidad y la utilidad de los mtodos de equilibrio. La mayora de las

    propiedades macroscpicas de inters para el qumico tienen valores nicos en el equilibrio que

    pueden ser medidos cuando se fija el estado del sistema.

    Asimismo, el estado queda determinado cuando se fija las propiedades de estado idneas

    en el equilibrio.

    Este tipo de descripcin ignora "la historia" anterior del sistema qumico, considerndola

    disponible a partir de las propiedades del estado en equilibrio, puesto que el sistema puede haber

    tenido acceso al equilibrio por diferentes caminos, a partir de varios estados anteriores.

  • Una vez conseguido el equilibrio, las propiedades de estado no pueden evolucionar ms all

    y todo futuro ser igual que el presente. El tiempo no debe introducirse en el lenguaje del equilibrio

    qumico macroscpico. El mtodo de equilibrio es fenomenolgico, tratando con propiedades visibles

    y medibles de cantidades sustanciales y de materia.

    Con toda intencin, las definiciones para el estudio del equilibrio qumico deben ser

    definiciones operacionales formuladas en trminos de operaciones experimentales.

    "Un sistema se encuentra en un estado de equilibrio si, a lo largo de un lapso razonable de

    tiempo ninguna de las propiedades macroscpico observables, de inters para el experimentador,

    vara apreciablemente".

    El criterio importante es el de que las propiedades del sistema permanezcan constantes

    durante el curso del experimento que se est considerando.

    Si se realizan observaciones experimentales sobre un conjunto formado por un nmero de

    molculas reducido nunca se podr lograr constancia de muchas propiedades. Entonces, un sistema

    se encuentra en equilibrio cuando las propiedades macroscpicas del mismo son constantes. A

    escala microscpica de dimensiones moleculares, continuarn los procesos dinmicos hacia el

    equilibrio con reacciones directas e inversas que se realizan a iguales velocidades.

    Ciertas propiedades de un sistema pueden cambiar a lo largo de un experimento y, no

    obstante, el experimentador puede decir que el sistema est equilibrio.

    La constancia absoluta de las propiedades no es verificable en el laboratorio.

    Se considera que el equilibrio se ha establecido cuando los instrumentos de medida

    detectar la no variacin de las propiedades.

    Se requiere de las propiedades macroscpicas el que sean constantes dentro de los lmites

    de la incertidumbre experimental de observacin.

    PROPIEDADES DE ESTADO

    El estado de equilibrio se caracteriza por un nico valor numrico de cada una de las varias

    propiedades macroscpicas de estado.

    Algunas propiedades de estado, especialmente temperatura, volumen y presin, pueden

    medirse directamente, manipularse y controlarse con facilidad en el laboratorio qumico. La

    composicin qumica es una propiedad estado.

    Algunas de las funciones de estado son la Entropa S, Entalpa H, Energa libre de

    Helmholtz A, Energa libre de Gibbs G y energa interna E.

    El Primer Principio de la Termodinmica define la funcin de estado E como una expresin

    diferencial adecuada a los cambios en el estado de un sistema cerrado, o sea, un sistema que no

    puede cambiar materia con sus alrededores.

    dE = dQ - dW 1 Principio de la Termodinmica

  • Donde la interaccin con el medio ambiente est limitada al cambio de calor "Q", y a la

    ejecucin de trabajo "W".

    Esto es una declaracin de conservacin de la energa y de la relacin cuantitativa entre la

    energa total del sistema y su interaccin con medio el circundante.

    Se reconoce que los cambios entre dos estados bien definidos pueden verificarse por varios

    caminos, tomando los respectivos "dQ" y "dW" valores diferentes. Esto considerando que "Q" ni "W"

    son funciones de estado. El primer principio proclama, no obstante, que E es una funcin de estado,

    caracterstica del sistema en su estado actual e independiente de los estados previos del sistema.

    El Segundo Principio de la Termodinmica definen la funcin de estado "S", entropa:

    dS = dQ/T

    Para un proceso reversible, afirmando que para una transformacin espontnea que ocurre

    en un sistema cerrado dS > dQ/T.

    CRITERIO DE EQUILIBRIO

    Un sistema se encuentra en equilibrio estable cuando no existen mecanismos fsicos ni

    qumicos que permiten procesos espontneos cuyo desarrollo produzca un cambio de estado.

    Esto teniendo en cuenta dS > dQ/T, supone que no ser realizarle una variacin

    infinitesimal en el estado existente del sistema que produzca una variacin de entropa mayor que

    dq/T. Consecuentemente todos los desplazamientos a partir del equilibrio estable deben producir

    variaciones de entropa de acuerdo con la relacin dS =dQ/T si los desplazamientos son

    diferenciales.

    "La ecuacin anterior (dS =dQ/T) es un criterio general y conveniente del equilibrio

    termodinmico".

    Resulta ventajoso pensar acerca de los sistemas qumicos en trminos de funciones de

    estado, eliminando cualquier referencia a "Q" y a "W".

    Si se limita la atencin a los casos en que el nico trabajo cedido al sistema es por cambios

    en la presin y el volumen, entonces: dW = P.dV

    Teniendo en cuenta que: dQ = T. dS

    y que dE = dQ - dW

    Entonces: dE = T. dS - P. dV

    De esta ecuacin resulta como criterio de equilibrio para un sistema qumico cerrado que

    pueda interaccionar con el medio circundante con cambios de volumen y de calor.

    Para un sistema cerrado en el cual los componentes puedan convertirse unos en otros por

    reacciones qumicas, "E" es una funcin de las concentraciones de especies qumicas y la diferencial

  • total dE debe incluir variaciones debidas a los cambios de composicin y tambin las variaciones de

    "S" y "V".

    La diferencial total:

    1 2

    1 2 j

    , , 1 2, , , , , ,

    EdE = .dS .dV .dn .dn ..... .dn ...

    Si i i j

    V n s S n s jV S n n V S n n V S n n

    E E E E

    V n n n

    Siendo n1 el nmero de moles del componente 1 del sistema etc. Los subndices de las

    derivadas parciales indican explcitamente qu variables permanecen constantes durante la

    diferenciacin. La notacin subndicada ni nj significa que el nmero de moles de cada componente,

    exceptuando nicamente al componente j, permanece constante durante la diferenciacin.

    Las derivadas que actan como coeficientes de dS y de dV son derivadas obtenidas a

    composicin qumica constante.

    La evaluacin de estas dos se hace considerando la ecuacin anterior a composicin

    constante, resultando:

    , ,

    EdE = .dS .dV

    S V n s S n s

    E

    V

    Puesto que: E, S y V son las mismas funciones en esta ecuacin y en

    dE = T.dS - P . dV se ve que:

    ,

    E

    S V n sT

    y

    , S n s

    EP

    V

    Reemplazando en la ecuacin completa tengo:

    dE = T.dS - P.dV + j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    dado que esta ecuacin y

    la ecuacin dE = T.dS - P.dV son vlidas simultneamente, resulta que:

    j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    = 0 (cero) para un sistema cerrado en equilibrio qumico.

  • ENERGA AL LIBRE DE GIBBS

    Muchos experimentos qumicos se realizan a temperatura expresa constantes, la

    temperatura se controla habitualmente mediante baos a temperatura constante dentro de pocas

    centsimas de grado. Las variaciones diarias de presin atmosfricas producen efectos

    imperceptibles sobre la mayora de las reacciones en solucin. Las condiciones experimentales de

    constancia de T y P introducen dos restricciones en el sistema qumico, imponiendo dos condiciones

    lmites a las ecuaciones matemticas que describen el equilibrio en funcin de dT y dP, entonces la

    simplificacin resulta cuando dT y dP sean nulas.

    Esto se logra por definicin de una funcin de estado denominada Energa Libre de Gibbs

    G. Esta funcin fue introducida por JOSIAH WILLARD GIBBS y se define como:

    G = E + PV - TS

    Diferenciando:

    dG = dE + P.dV+ V.dP - T.dS - S.dT

    remplazando dE por su igual:

    dE = T.dS - P.dV + j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    Tenemos:

    dG = T.dS - P.dV + P.dV + V.dP - T.dS - S.dT + j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    Queda:

    (*) dG = V.dP - S.dT + j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    La referencia explcita a E puede eliminarse por comparacin de la ecuacin anterior con el

    diferencial total dg expresado como funcin de P, T y de los ni resultando:

    , , i jj T P n n

    G

    n

    , , , ,

    . . .

    i j

    j

    jT n s P n s j T P n n

    G G GdG dP dT dn

    P T n

    A partir de los coeficientes de las diferenciales semejantes en las ecuaciones anteriores

    deber ser igual:

    j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    =

    , ,

    .

    i j

    j

    j T P n n

    Gdn

    n

    = j (se define)

    De este modo la ecuacin (*) queda:

    dG = V.dP - S.dT + j

    j.dnj

  • Donde en condiciones de P y T constantes, dP y dT son iguales a cero, luego

    dG = j

    j.dnj

    Ecuacin que relaciona las variaciones de G, con los correspondientes cambios de

    composicin qumica.

    j

    , ,

    .dn

    i jj V S n n

    E

    n

    = 0 y

    , , i jj V S n n

    E

    n

    =

    , , i jj T P n n

    G

    n

    = j

    Juntas muestran que en el equilibrio,

    j

    j.dnj = 0

    Evidentemente en un equilibrio a P y T constantes ser: dG = 0 (cero)

    Un sistema cerrado se encuentra en equilibrio en un estado en que G se haya hecho

    mnima, cualquier estado levemente distinto tendr el mismo o superior valor de G.

    POTENCIAL QUMICO

    El sistema qumico se encontrar sometido a cambios qumicos, tendientes a reducir su

    energa potencial, si existe mecanismo de reaccin apropiado accesible. A presin y temperaturas

    constantes, la energa potencial queda determinada por una funcin potencial que es la Energa Libre

    de Gibbs.

    "La fuerza impulsora de la reaccin es la derivada de "G" respecto de la ordenada que

    describa el proceso de evolucin hacia el equilibrio."

    "La condicin de equilibrio qumico interno en tal sistema es que la energa libre de Gibbs

    del mismo debe ser mnima".

    A presin y temperaturas constantes, "G" es funcin nicamente de la composicin del

    sistema.

    Para un sistema cerrado, que contiene varios componentes qumicos que pueden

    transformarse unos en otros, la ecuacin

    dG = j

    j.dnj

    relaciona la diferencial dG con un conjunto de j mediante unas variables de composicin,

    los diversos nj.

    "La cantidad j es la contribucin del componente qumico j a la energa potencial del

    sistema. ste es el potencial intrnseco, o potencial qumico, del componente j.

  • EVOLUCIN HACIA EL EQUILIBRIO

    Cualquier cambio espontneo en un sistema que inicialmente no se halle en equilibrio, se

    realizar hacia el equilibrio.

    Un sistema de cambio y evolucin, a presin y temperaturas constantes, lo har hacia el

    estado de mnima energa libre de Gibbs. Una vez alcanzado el equilibrio, y "G" hecha mnima, no

    podrn ocurrir ms cambios macroscpicos.

    Un nmero enorme de procesos dinmicos microscpicos atmicos y moleculares tienen

    lugar dentro del sistema, compensndose estadsticamente unos con otros de manera que se

    mantendr el equilibrio macroscpico.

    La aproximacin del sistema hacia el equilibrio, en un medio circundante constante, es un

    proceso irreversible. Todo cambio tienen lugar en una direccin, el equilibrio nunca se rebasa y el

    sistema tiende invariablemente hace un estado de uniformidad macroscpica. "La fuerza impulsora de

    una reaccin qumica, en su aproximacin hacia el equilibrio, es la derivadas de "G" respecto de la

    coordenada de la misma direccin".

    Una coordenada de la reaccin que resulta conveniente es el grado de avance de la

    reaccin, tambin llamado avance de la reaccin " (epsilon).

    El avance de la reaccin puede caracterizar muchos tipos de procesos, incluso si son

    procesos extremadamente complicados, inmediatos al equilibrio.

    Esto resultar particularmente interesante en reacciones qumicas generalizadas:

    aA + bB + = cC + dD +

    Donde las letras minsculas representan coeficientes estequiomtricos.

    El avance de la reaccin se encuentra definido de tal modo que un cambio en desde 1

    hasta 1+d corresponda a la reaccin de a.d moles de reactante A, b.d del B para generar c.d

    moles del producto de la reaccin C, y d.d del D, etc.

    Si el nmero de moles de A decrece por causa de la reaccin, el nmero de moles de C

    debe incrementarse y, consecuentemente dnA y dnC debern tener signos opuestos.

    Un enunciado cuantitativo de las relaciones entre el avance de la reaccin y los distintos

    cambios de concentracin es:

    dnA = -a. d

    dnB = -b. d

    --------------

    dnC = +c. d

    dnD = +d. d

  • Para un sistema a presin y temperaturas constantes, en el que los nicos cambios de

    composicin posibles son los indicados en la reaccin entre A, B, para producir C, D, , la

    ecuacin

    dG = j

    j.dnj toma la forma (para la reaccin antes mencionada):

    . . ... . . ...A A B B C C D DdG dn dn dn dn

    Que en trminos de avance de la reaccin queda:

    a.d . . . . . ... . . . . . . ...A A B B C C D DdG dn bd dn c d dn d d dn

    La fuerza impulsora de la reaccin es dG/d, que puede obtenerse de la ecuacin anterior

    como:

    Aa ... ...B C DdG

    b c dd

    Esta derivada de dG/ d se denomina potencial de reaccin o energa libre de reaccin.

    La derivada, con signo negativo, fue denominada afinidad por el termodinmico belga De

    Donder.

    En el equilibrio del sistema cerrado, a presin y temperaturas constantes, "G" es mnima

    respecto a cualquier cambio de estado y, por tanto, respecto a cualquier variacin de las cantidades

    de los diversos componentes del sistema y respecto a cualquier cambio en el avance de la reaccin.

    De aqu que dG/d valga de cero en el equilibrio.

    La ecuacin anterior resulta entonces:

    Aa ... ...B C Db c d (#)

    Para un sistema cerrado, a presin y temperaturas constantes, la ecuacin (#) resulta ser el

    criterio termodinmico de equilibrio qumico expresado en funcin de potenciales qumicos de los

    diversos componentes.

    ACTIVIDADES Y CONSTANTES DE EQUILIBRIO

    La ecuacin sera mucho ms utilizable para el qumico experimental si estuviera escrito en

    trminos menos abstractos y de medida algo ms fcil que los potenciales qumicos. Los qumicos al

    igual que los matemticos, son libres para definir nuevas funciones siempre que les mueva al espritu

    creador.

    Un qumico particularmente creador, Gilbert N. Lewis, decidi definir una funcin ai,

    llamndola actividad del componente i, en funcin del potencial qumico. Su eleccin como una

    ecuacin de definicin la hizo por analoga con resultados termodinmicos obtenidos en la teora de

    gases ideales. Experimentos realizados con reacciones qumicas en solucin han demostrado que tal

  • eleccin fue especialmente til y que en una gran mayora de los casos, la actividad, tal como la

    define Lewis, se comporta casi igual que una concentracin qumica corriente.

    Siempre que pueda ser considerada como una concentracin efectiva, la actividad es una

    cantidad concreta que puede ser considerada y manejada con conocimiento y confianza.

    Existen muchas tcnicas experimentales que permiten la medida directa de actividades.

    La actividad se encuentra relacionada con el potencial qumico por la definicin de Lewis: 0

    iln ai i RT (1)

    Donde "ai" es la actividad de la especie i, y i es el potencial qumico de dicha especie

    cuando a1 =1, R es la constante de los gases y T la temperatura absoluta.

    La cantidad 0

    i es funcin nicamente de P y T, la actividad ai es adimensional.

    Pueden escribirse ecuaciones similares a la 0

    iln ai i RT para las especies qumicas

    A, B,, C, D,

    Tales ecuaciones pueden combinarse con la ecuacin

    Aa ... ...B C Db c d (2)

    para convertirse, reemplazando (1) en (2), en:

    0 0 0 0

    C D A B

    c dc d a b C DC D A B a b

    A B

    0 0 0 0

    A B C D

    a ... ... .( .ln a .ln a ... a.lna .ln a ...)

    a .a ....(ln a ln a ... ln a ln a ...) .ln

    a .a ...

    a a.RT.lna . .ln a . .ln a . .ln a

    A B C D

    A B C D

    b c d RT c d b

    RT RT

    b b RT c c RT d d RT

    A presin y temperatura constantes, el primer miembro de esta ltima ecuacin es una

    constante, utilizndose este hecho para definir la CONSTANTE DE EQUILIBRIO K, para esta

    reaccin por medio de la expresin: 0 0 0 0

    A B C D.ln a. . ... . . ...RT K b c d

    sta y la ecuacin anterior se combinan para dar:

    c d

    C D

    a b

    A B

    a .a ...

    a .a ...K (3)

    En general, la constante de equilibrio para una reaccin es el producto de las actividades de

    los productos resultantes de la reaccin dividido por el producto de las actividades de los reactantes,

    elevada cada actividad a una potencia igual a su coeficiente estequiomtrico que le corresponde en la

    ecuacin qumica ajustada.

    La presencia de caminos alternativos para la reaccin, la presencia o ausencia de un

    catalizador especfico, la historia pretrica del sistema qumico, las concentraciones relativas iniciales

    de productos y reactantes son hechos de ninguna importancia en la determinacin de K y, por tanto,

  • del valor del cociente de actividades. La ecuacin (3) no hace declaracin respecto de la velocidad de

    reaccin o la velocidad con que se alcanza el equilibrio.

    Esto hace que debe resultar un valor concreto de dicho cociente si se establece, y cuando

    se establezca el equilibrio.

    ESTADOS ESTANDAR

    La ecuacin 0

    iln ai i RT no define completamente la actividad en funcin del

    potencial qumico. La parte incompleta de la definicin consiste en un conjunto de directrices para la

    determinacin del valor de i0.

    Este conjunto es para decidir cundo ai=1, y tales directrices proporcionan la definicin de

    estado estndar para cada uno de los componentes del sistema. El estado estndar est definido

    para unas condiciones dadas de presin, temperatura y concentraciones, en las que la actividad debe

    fijarse como unidad.

    El qumico dispone de gran libertad para la seleccin de los estados estndar, y hace tal

    seleccin de acuerdo con su conveniencia. A continuacin se dan algunos convenios sobre estados

    que han llegado a ser aceptados por los qumicos que trabajan con soluciones acuosas diluidas.

    Para un lquido que es el disolvente en una solucin, la actividad del lquido puro se

    considera igual a la unidad, a la presin de 1 atmsfera y a la temperatura que se considere.

    Para un soluto, el estado estndar queda definido de tal modo que actividades se aproxime

    una concentracin molar en el lmite de dilucin infinita. La actividad ser una funcin de la presin y

    el estado estndar se define a 1 atmsfera.

    Para un slido en equilibrio con una solucin, a la presin de una atmsfera la actividad del

    slido puro en su forma cristalina ms estable se toma como unidad para cada temperatura.

    Para un gas ideal, la actividad se toma como igual a su presin parcial.

    Esta seleccin de los estados estndar no es la nica usada por los qumicos que trabajan

    con soluciones.

    CRITERIO TERMODINMICO DEL EQUILIBRIO

    Si partimos de la definicin de Lewis: 0

    iln ai i RT

    Si sustituimos esta relacin en la expresin: Aa ... ...B C Db c d (que es el

    criterio termodinmico del equilibrio qumico), obtenemos: 0 0 0 0

    A B C Da a.RT.lna . .lna . .lna . .lnaA B C Db b RT c c RT d d RT

    Cuando se ordena esta ecuacin y se renen los trminos logartmicos, el resultado es:

  • c d0 0 0 0 C D

    a b

    A B

    0 0 0 0

    c d

    C D

    a b

    A B

    c d0 0 0 0C D

    Aa b

    A B

    0 0 0 0 0

    C

    a .a. . a. . .ln

    a .a

    . . a. .

    a .a .ln

    a .a

    a .a.ln ( a ) ( . . a. . )

    a .a

    . . a. . .( .ln a

    C D A B

    C D A B

    C D B C D A B

    C D A B C

    c d b RT

    G c d b

    G RT

    RT c d b c d b

    G c d b c RT

    0 0 0) D A B.( .ln a ) a.( .ln a ) .( .ln a )D A Bd RT RT b RT

    Para la reaccin qumica general: aA + bB = cC + dD

    es costumbre definir el cambio de energa libre normal, (o estandar) G, por la expresin: 0 0 0 0

    c d

    C D

    a b

    A B

    d

    C D

    a b

    A B real

    . . a. .

    a .a .ln

    a .a

    a .a

    a .a

    .ln

    C D A B

    c

    G c d b

    G RT

    K

    G RT K

    Finalmente se observa que el trmino logartmico contiene las actividades de equilibrio, de

    todas las sustancias reaccionantes y productos que intervienen en la reaccin qumica general,

    podemos identificar a esta razn como una constante de equilibrio termodinmico, K. As:

    d

    C D

    a b

    A B

    a .a

    a .a

    c

    K y .lnG RT K

    CRITERIO TERMODINMICO PARA OCURRENCIA DE REACCIN QUMICA

    Hagamos la siguiente pregunta fundamental: si se mezclan cantidades arbitrarias de

    sustancias A, B, C y D y si estas especies reaccionan entre ellas conforman reaccin reversible:

    aA + bB = cC + dD

    Cmo podemos relacionar el cambio de energa libre en esta reaccin con la direccin,

    directa o inversa, en la cual transcurrir realmente la reaccin?

    La respuesta puede obtenerse de varios modos pero utilizaremos slo uno de ellos.

  • Empecemos por obtener informacin acerca del cociente

    [

    ]

    Aunque esta cantidad se asemeja a la expresin de la constante de equilibrio

    termodinmico, representan la razn real entre las actividades de las sustancias reaccionantes y los

    productos, elevados a las potencias correspondientes en un estado inicial cualquiera, no de equilibrio.

    Con el uso de las relaciones 0

    iln ai i RT o 0

    iln ai i RT

    y con su aplicacin a cada una de las cuatro especies (A,B,C,D) podemos llegar, aplicando:

    0 0 0 0

    0 0 0 0

    C) D A B

    . . a. .

    .( .ln a .( .ln a ) a.( .ln a ) .( .ln a )

    . . a. .

    C D A B

    C D A B

    C D A B

    G c d b

    c RT d RT RT b RT

    G c d b

    Al resultado:

    c d0 0 0 0C D

    Aa b

    A B

    a .a.ln ( a ) ( . . a. . )

    a .aC D B C D A BRT c d b c d b

    Si recordamos que: 0 0 0 0 . . a. .C D A BG c d b

    podemos deducir que la relacin ms general es: . . a. .C D A BG c d b

    La sustitucin de estas dos ecuaciones en la precedente da:

    d

    C D

    a b

    A B real

    a .a.ln

    a .a

    c

    RT G G

    Esta relacin puede reordenarse para obtener la forma ms conocida:

    d

    C D

    a b

    A B real

    a .a .ln

    a .a

    c

    G G RT

    que se emplear en la reduccin de la ecuacin de Nernst. Finalmente puesto que:

    .lnG RT K =d

    C D

    a b

    A B equilibrio

    a .a.ln

    a .a

    c

    RT

    Podemos escribir:

    d d

    C D C D

    a b a b

    A B A Bequilibrio real

    a .a a .a.ln ln

    a .a a .a

    c c

    G RT RT

    Cuando examinamos el significado de esta relacin con respecto a la reaccin hipottica:

    aA + bB = cC + dD

    Sacamos tres conclusiones importantes:

  • 1) en primer lugar si

    d d

    C D C D

    a b a b

    A B A Breal equilibrio

    a .a a .a

    a .a a .a

    c c

    La reaccin transcurrir A B C D hacia el equilibrio. El criterio termodinmico para

    que la reaccin ocurran la direccin directa es que G < 0 (cero).

    2) En segundo lugar si:

    d d

    C D C D

    a b a b

    A B A Breal equilibrio

    a .a a .a

    a .a a .a

    c c

    la reaccin transcurrir ser A B C D hasta el equilibrio. El criterio termodinmico

    para que esta reaccin ocurra, reaccin inversa es que G > 0

    3) En tercer trmino si:

    d d

    C D C D

    a b a b

    A B A Breal equilibrio

    a .a a .a

    a .a a .a

    c c

    El sistema se estn equilibrio y no ocurrir cambio alguno (macroscpicamente). El criterio

    termodinmico para que un sistema est en equilibrio es que G = 0 (cero)

    Bibliografa:

    R.B. Fisher y D.G. Peters. Ed. Interamericana S.A. pags 90 y siguientes

    "Equilibrios en disolucin" de G.M. FLECK Ed. Alhambra S:A:

    "Equilibrio en disolucin" de G.M. FLECK Ed. Alhambra S:A: pg. 10 y siguientes.