Potenciales Quimicos y Fases de Equilibrio

POTENCIAL QUÍMICO.

El potencial químico de un sistema termodinámico es el cambio de energía que experimentaría el sistema si fuera introducida en éste una partícula adicional, con la entropía y el volumen mantenidos constantes. Si un sistema contiene más de una especie de partículas, hay un potencial químico diferente asociado a cada especie, definido como el cambio en energía cuando el número de partículas de esa especie se incrementa en una unidad. El potencial químico es un parámetro fundamental en termodinámica y se asocia a la cantidad de materia.

El potencial químico es particularmente importante cuando se estudian sistemas de partículas que reaccionan. Consideremos el caso más simple de dos especies, donde una partícula de la especie 1 puede transformarse en una partícula de la especie 2 y viceversa. Un ejemplo de un sistema de esta clase sería una mezcla supersaturada de agua líquida (especie 1) y vapor de agua (especie 2). Si el sistema está en equilibrio, los potenciales químicos de las dos especies deben ser iguales. De lo contrario, cualquier incremento en un potencial químico produciría emisión neta e irreversible de energía del sistema en forma de calor cuando esa especie con el potencial incrementado se transformara en la otra especie, o una ganancia neta de energía (de nuevo en forma de calor) si tuviera lugar la transformación reversible. En las reacciones químicas, las condiciones de equilibrio son generalmente más complicadas ya que intervienen más de dos especies. En este caso, la relación entre los potenciales químicos en el equilibrio viene dada por la ley de acción de las masas.

Puesto que el potencial químico es una cantidad termodinámica, es definido independientemente del comportamiento microscópico del sistema, es decir, de las propiedades de las partículas que lo constituyen.

POTENCILA DE DIFUSIÓN.

Los Potenciales de Membrana son cambios rápidos de polaridad a ambos lados de la membrana de menos de 1 milisegundo. Cuando se habla de potenciales de membrana, se habla del "Potencial de Difusión", dicho potencial esta generado por una diferencia de concentración iónica a ambos lados de la membrana celular. Los potenciales de membrana son la base de la propagación del impulso nervioso.

1. Potencial de Nernst

El potencial de Nernst esta definido como el nivel de potencial de difusión a través de una membrana que se opone directamente a la difusión neta de un ión en particular a través de la misma. Dicho potencial está en el interior de la membrana y se asume que el LEC se mantiene en un potencial de cero y si la temperatura corporal es la adecuada (aproximadamente 37 °C).

Ejemplo: Tomando el caso del Na+, se sabe que este ión es más abundante en el LEC, si se incrementara la concentración de dicho ión mayor será la tendencia a difundir dentro de la célula, entonces, mayor será el potencial de Nernst necesario para impedir la difusón neta adicional. Siendo así directamente proporcional a la concentración de dicho ión.

POTENCIAL DE DONNAN.

El equilibrio de Gibbs - Donnan es el equilibrio que se produce entre los iones que pueden atravesar la membrana y los que no son capaces de hacerlo. Se juega con los iones y con las cargas.

Cuando partículas de gran tamaño cargadas eléctricamente, como las proteínas, que no se difunden a través de una membrana semipermeable están presentes en un compartimento fluido como el vascular, atraen los iones cargados positivamente y repelen los iones cargados negativamente Como consecuencia de ello, se establece un gradiente eléctrico y sendos gradientes de concentración de los iones, estos dos últimos iguales y de signo opuesto. En el equilibrio, los productos de las concentraciones iónicas de cada lado de la membrana son iguales. En consecuencia, la concentración de partículas es desigual a ambos lados de la membrana y se establece un gradiente osmótico en dirección hacia el compartimiento que contiene las proteínas. Esta presión osmótica en el equilibrio de Gibbs-Donnan es de unos 6-7 mm de Hg. El efecto de Donnan sobre la distribución de los iones difusibles es importante en el organismo a causa de la presencias en las células y en el plasma.

ELECTRODOS Y SUS APLICACIONES.

Un electrodo es un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc. La palabra fue acuñada por el científico Michael Faraday y procede de las voces griegas elektron, que significa ámbar y de la que proviene la palabra electricidad y hodos, que significa camino.

Un electrodo en una celda electroquímica se refiere a cualquiera de los dos conceptos, sea ánodo o cátodo, que también fueron acuñados por Faraday. El ánodo es definido como el electrodo al cual los electrones vienen de la celda y ocurre la oxidación, y el cátodo es definido como el electrodo en el cual los electrones entran a la celda y ocurre la reducción. Los electrodos tienen funciones muy variadas, por ejemplo, en los laboratorios que estudian al DNA, pueden utilizarse para pasar una corriente de electricidad y así poder determinar tipos de DNA. También para medir concentraciones de H, para el pH.

Fase de Equilibrio

Todos estamos familiarizados con las transiciones de fase cuando una sustancia se transforma de una fase estable a otro a una temperatura de equilibrio. Por ejemplo, el hielo estará en equilibrio con agua líquida a 273,15 K y 1 atmósfera de presión, o agua líquida estará en equilibrio con vapor de agua a 373,15 K y una atmósfera. Ahora vamos a echar un vistazo a los principios termodinámicos involucrados en las transiciones de fase.
Vamos a suponer al principio que no sabemos nada acerca de las condiciones bajo las cuales las dos fases pueden estar en equilibrio. Lo único que conocemos son los criterios de equilibrio bajo ciertas condiciones. Es decir, se sabe que

 (1)

para un sistema aislado cerrado (es decir, la entropía busca un máximo), y

 (2)

para un sistema como temperatura y volumen constantes (es decir, la energía libre de Helmholtz busca un mínimo), y

 (3)

para un sistema a temperatura y presión constantes (la energía libre de Gibbs busca un mínimo).Vamos a hacer una serie de tres experimentos mentales en diferentes conjuntos de condiciones y el uso de los criterios anteriores para decirnos cosas acerca de la temperatura, la presión y el potencial químico de un sistema de dos fases en equilibrio.
I. Un sistema cerrado aislado.
Considere un sistema cerrado aislado que consta de dos fases, α fase en equilibrio con la fase β. Vamos a llamar a la temperatura de la fase α _α T y la temperatura de la fase T _β β.

No sabemos, sin embargo, ¿cuál es la relación entre _α y _β T T. Sabemos que en este sistema la entropía busca un máximo. Esto es,

 (4)

Vamos a transferir una pequeña cantidad de calor, dq, de forma reversible de α fase a fase β. Para concretar fijaremos dq> 0. Tan

 (5a, b)

y

 (6a, b)

El cambio de entropía total del sistema es

 (7)

Desde dq es positivo por la construcción se concluye que

 (8)

o

 (9)

Si el sistema no está en equilibrio y luego  lo cual tiene sentido ya que el calor fluye espontáneamente de una temperatura más alta a una temperatura más baja.Si el sistema está en equilibrio a continuación  Hay sólo una temperatura definida y no en ninguna necesidad de distinguir entre las temperaturas de las dos fases.
II. Un sistema a volumen constante y la temperatura
Puesto que ahora sabemos que en el equilibrio sólo hay una temperatura definida por las dos fases vamos ahora a remover el sistema de aislamiento y lo coloca en un baño de calor a la temperatura, T.Todavía tendrá el volumen constante. En condiciones de temperatura y volumen constantes sabemos que el criterio de equilibrio es que la energía libre de Helmholtz busca un mínimo. Esto es,

 Nuestro sistema actual se parece,

pero no sabemos la relación entre las presiones en las dos fases.Vamos ahora a transferir una pequeña cantidad de volumen, dV> 0, de α fase a fase β.
Sabemos que dA = - SdT - p dV = - dV para un sistema de temperatura constante. Por lo tanto,

 (10)

El cambio en la energía libre de Helmholtz para todo el sistema es,

 (11)

Desde dV es positivo concluimos que

 (12)

o

Si el sistema no está en equilibrio y luego  lo cual tiene sentido ya que la fase β expandido a expensas de la fase α.Si el sistema está en equilibrio a continuación  de modo que sólo hay una presión definida por el sistema.
III. El sistema a presión y temperatura constantes
Puesto que ahora sabemos que en el equilibrio de las dos fases están a la misma temperatura y presión, vamos a eliminar la restricción de volumen constante y colocar el sistema en un baño de calor a la temperatura, T, y un baño de presión a la presión, p. (El ambiente es un buen ejemplo de un baño de presión a la presión atmosférica aproximadamente uno. Usted puede hacer cámaras para mantener presiones diferentes, si lo desea.) Nuestro sistema se parece,

pero no sabemos la relación entre los potenciales químicos en las dos fases.A temperatura y presión constantes sabemos que

 (13)

También sabemos que,

que, a temperatura y presión constantes se convierte,

 (14)

Pasemos ahora una pequeña cantidad de material, dn, α de fase a fase β (con dn> 0). Entonces,

 (15a, b)

y

 (16a, b)

El cambio en la energía libre de Gibbs para todo el sistema es entonces

 (17)

Desde dn es positivo por construcción llegamos a la conclusión de que,

 (18)

o

 (19)

Si el sistema no está en equilibrio y luego  lo cual tiene sentido ya que el material quiere pasar de una región de potencial químico mayor a una región de potencial químico más bajo.Si el sistema está en equilibrio, entonces,

 (20)

de modo que sólo hay un potencial químico definido para el sistema.Nuestra conclusión, entonces, es que dos fases en equilibrio debe tener el potencial de la misma temperatura, la presión y la química. La secuencia anterior de las derivaciones puede ser fácilmente ampliado para incluir más fases y / o ampliarse para incluir mezclas, donde nos encontramos con que la temperatura, la presión y el potencial químico de cada componente debe ser el mismo en cada fase. Vamos a utilizar estos datos un poco más tarde en nuestra derivación de la regla de las fases de Gibbs.