Termo-química-Equilibrio de Fases

EQUILIBRIO DE FASES

1.  Sistemas de un componente

Definición

Primero definiremos lo que es un sistema, un componente y una fase. Un Sistema es un conjunto de elementos con relaciones de interacción e interdependencia que le confieren entidad propia al formar un todo unificado. Un componente es una sustancia química con propiedades definidas. Y una fase es el estado de agregación en el que se encuentra una sustancia química.

Sistemas de un solo componente, significa que son sistemas con la misma composición química. Sin embargo, existe otra forma de describir el estado de un sistema además de la composición química de este.

Los sistemas de un solo componente proporcionan las bases para comprender el equilibrio de los sistemas multicomponentes.

Para lo cual químicamente reconocemos las fases sólidas, liquida y gaseosa. Por lo anterior se puede decir que existen sistemas homogéneos y heterogéneos.

Sistemas homogéneos

Los sistemas químicamente homogéneos son para describir los sistemas de un solo componente. Esto aplica para las disoluciones las cuales constituyen una mezcla homogénea ya que, aunque se trata de dos o más elementos, cada elemento pierde su identidad individual cuando se forma el compuesto.

Por ejemplo, un sistema compuesto por H2O puro cuenta con un solo componente químico inorgánico: el agua. Por supuesto, el H2O está formado por dos elementos, hidrogeno y oxígeno, pero cada elemento perdió su integridad individual cuando se formó el compuesto H2O.

Los sistemas de un solo componente pueden presentarse simultáneamente en una o más fases.

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2. Equilibrio entre fases de un componente

Definición

El equilibrio de fases es el estudio del equilibrio que existe entre o en los diferentes estados de materia; es decir sólido, líquido y gas. El equilibrio se define como una etapa cuando el potencial químico de cualquier componente presente en el sistema permanece estable con el tiempo. la fase es una región en la que la interacción intermolecular es espacialmente uniforme o en otras palabras las propiedades físicas y químicas del sistema son iguales en toda la región. Dentro del mismo estado, un componente puede existir en dos fases diferentes, como los alótropos de un elemento. Además, dos compuestos inmiscibles en el mismo estado líquido pueden coexistir en dos fases.

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Función

Recordemos que cualquier sistema evoluciona de forma espontánea hasta alcanzar el equilibrio, y que es posible determinar si un sistema está en equilibrio con su entorno si la S universo o si las funciones de estado del sistema U, H, A y G permanecen constantes con el tiempo. En caso contrario analizando como variarían estas funciones de estado se puede determinar en que sentido evolucionará el sistema, para lo cual se emplean las ecuaciones de Gibbs.

Así, la condición de equilibrio material en un sistema compuesto por varias fases y especies es, condición que se cumple cuando no hay cambios macroscópicos en la composición del sistema, ni transporte de materia de una fase a otra del sistema.

¿Cómo se alcanza el equilibrio material entre fases?

Supongamos que tenemos dos fases en equilibrio térmico y mecánico, y que ambas fases contienen el componente i. Si una cantidad dni moles de sustancia fluyen espontáneamente de la fase α a la fase β, debe ser porque con ese flujo G se minimiza:

Lo que aplicado a un sistema en equilibrio térmico y mecánico constituido por dos fases. Como por otra parte, el flujo de (ni) moles entre las fases se tiene que  (dni) se ha definido como un valor positivo, (cantidad de moles de sustancia i que llegan a la fase β), el flujo de materia se debe a que, alcanzándose el equilibrio material cuando los potenciales químicos de la sustancia son iguales en las dos fases.

Luego podemos decir que en un sistema cerrado en equilibrio termodinámico, el potencial químico de un componente dado es el mismo en todas las fases en las que el componente está presente.

Aplicaciones

El equilibrio de fases tiene una amplia gama de aplicaciones en industrias que incluyen la producción de diferentes alótropos de carbono, la reducción del punto de congelación del agua mediante la disolución de sal (salmuera), la purificación de componentes por destilación, el uso de emulsiones en la producción de alimentos, la industria farmacéutica, etc. El equilibrio sólido-sólido ocupa un lugar especial en la metalurgia y se utiliza para hacer aleaciones de diferentes propiedades físicas y químicas. Por ejemplo, el punto de fusión de las aleaciones del cobre y la plata es más bajo que el punto de fusión del cobre o de la plata.

La fase estable de un sistema de un solo componente depende de las condiciones del sistema. Dichas condiciones son: la presion, la temperatura, el volumen y la cantidad de materia en el sistema.

Una transicion de fase ocurre cuando un componente puro cambia de fase. Como en la siguiente imagen:

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Los diagramas de fase se utilizan para comprender la relación entre las diferentes fases y generalmente se representan como el cambio en la fase de un sistema en función de la temperatura, la presión o la composición de los componentes de un sistema. El sistema existe en una fase donde la energía libre de Gibbs del sistema es menor. En equilibrio, la temperatura, la presión y el potencial químico de las moléculas del componente constitutivo en el sistema deben ser iguales en todas las fases. La figura 1 muestra un esquema general del diagrama de fase de un sistema de un solo componente:

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Punto crítico: es aquel límite para el cual el volumen de un líquido es igual al de una masa igual de vapor o, dicho de otro modo, en el cual las densidades del líquido y del vapor son iguales.

Punto triple: es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

Dos diferentes fases del mismo componente pueden estar en equilibrio entre si. Sin embargo, las condiciones en las que esto puede ocurrir son sumamente especificas.

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