termodinÁmica: potencial químico · 2018-02-05 · 6 físico-química – farmacia – ub –...

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Físico-química – Farmacia – UB – 2017

TERMODINÁMICA: Potencial químico

μi: 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.,

Consideremos una solución con 2 fases, A y B:

Pero

Entonces,

Conclusión,● en equilibrio, las fases tienden a igualar sus en equilibrio, las fases tienden a igualar sus μμ..● fuera del equilibrio, la fase con mayor μ tiende a pasar a la fase con < 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).

G=nAμA+nBμB → ΔG=μAΔnA+μBΔnB

μetanol puro≠μetanol en agua

ΔG=μAΔnA−μBΔnA=(μ A−μB)Δ nA

Δ nA=−ΔnB

En equilibrio: ΔG=0 → μ A=μB

Fuera del equilibrio:→ μA<μB ⇒ ΔnA>0

ΔG<0→ μA>μB ⇒ ΔnA<0

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TERMODINÁMICA: Potencial químico

ΔG=ΔG0+RT ln( c ic0)

Gas ideal

Componentes en solución diluida

ΔG=ΔG0+RT ln(mi

m0)

ΔG=ΔG0+RT ln (xi)

ΔG=ΔG0+RT ln( PiP0)

ΔG=ΔG0+RT ln (Q)

ΔG=ΔG0+RT ln (ai)

Y si el gas no es ideal, o la solución no esta diluida?

Generalizamos las formulas anteriores a

donde ai es la actividadactividad 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.

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SOLUCIONES - Tipos

Tipos de soluciones: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) = H2O(l) + CO

2(g)

● Agua con sal(l) = H2O(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 sobresaturada: no es muy estable

Solución no saturada y solución sobresaturada

Cristalización vs precipitación

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SOLUCIONES – Disolución

+

+

ΔHsep_1

ΔHsep_2

ΔH = 0

ΔHunión

ΔH disolución

ΔHdisolución

= ΔHsep_1

+ ΔHsep_2

+ ΔHunión

>0 >0 <0

ΔSdisolución

> 0

ΔGdisolución

= ΔHdisolución

– T ΔSdisolución

ΔH puede ser favorable a la disolución o no, pero ΔS es siempre favorable

Aplicación de la ley de Hess a la disolución:

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SOLUCIONES – Concentración

Medidas de concentración:

Fracción molarFracción molar de un componente A:

MolaridadMolaridad:

MolalidadMolalidad:

X A=nA

∑i

ni(i=A ,B ,C , ...)

M= moles de solutolitros de solucion

m= moles de solutokg de solvente

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SOLUCIONES – Ley de Raoult

La adición del soluto disminuye la tendencia de las moléculas del solvente a escapar de la fase líquida. Propiedad coligativa Propiedad coligativa (no depende de la identidad del soluto)

La presión de vapor de una solución es menor que la del solvente solo:

P1=X1P10 ó

P10−P1P10

=X2

agrego un soluto no volátil

P01

presión de vapor del solvente

P1

presión parcial del solvente

Ley de RaoultLey de Raoult

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.

P1 < P0

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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 constantes2) El nivel de (A) sube, mientras que el de (B) baja3) El nivel de (A) baja, mientras que el de (B) sube4) Depende de la concentración de azúcar


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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 constantes2) El nivel de (A) sube, mientras que el de (B) baja3) El nivel de (A) baja, mientras que el de (B) sube4) Depende de la concentración de azúcar


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¿Y si el soluto también es volátil? Los 2 componentes cumplen la ley de Raoult:

Dalton:

Ejemplo) Solución de benceno y tolueno (los 2 volátiles)

P1=X1P10 P2=X 2P2

0

P=P1+P2=X1P10+X 2P2

0=X1P1

0+(1−X1)P2

0

P=(P10−P2

0)X1+P2

0

Cumplen la ley de Raoult: solución idealsolución ideal

Algunas soluciones se desvían de Raoult, son no idealesno ideales.

Imágenes de Chang y Goldsby, Química 11ra ed.


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SOLUCIONES – Cambios en el diagrama de fases

Punto de fusión: disminuyePunto de ebullición: aumenta

Físico-química – Farmacia – UB – 2017 Imágenes de Chang y Goldsby, Química 11ra ed.

Linea continua: agua puraLinea punteada: solución de agua ΔT e=k em

ΔT f=k f m

m: molalidad de la soluciónk

e: constante molal de elevación del

punto de ebulliciónk

f: constante molal de disminución

del punto de fusión

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SOLUCIONES – Presión osmótica


Agua pura

Solución acuosa

Membrana semi-permeable

El solvente tiende a ir en la dirección de mayor concentración de soluto, con una presión osmótica presión osmótica ππ:

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): isotónicasSoluciones con mayor (menor) π: hipertónicas (hipotónicas)

π=RM T

Δt

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PREGUNTA

Los glóbulos rojos tiene π ~ 8 atm. ¿Qué pasa si son colocados en una solución fuertemente hipotónica?

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RESPUESTA

Los glóbulos rojos tiene π ~ 8 atm. ¿Qué pasa si son colocados en una solución fuertemente hipotónica?

Explotan

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PREGUNTA

¿Qué es la solución fisiológica salina?

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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)

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PREGUNTA

¿Se puede matar a una bacteria con azúcar?

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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.

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SOLUCIONES – Solubilidad


¿De qué depende la solubilidad de una solución?

De cuatro factores:

1) Solvente2) Soluto3) T4) P

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1 y 2) Naturaleza del solvente y soluto

“Lo semejante disuelve a lo semejanteLo 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.

Ej) Solubilidad de NaCl en:

Agua (polar) ----------------------> 311 g/lAlcohol etílico (poco polar) ---> 0.51 g/lNafta (no polar) ---------------> 0 g/l

+- +- +- +-

+-+-

solvente soluto

solución

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3) Temperatura

● Regla general usualmente correcta para solutos gaseosos: A > T, < solubilidadA > T, < solubilidad(Al calentar agua se forman burbujas de aire ==> la solubilidad del aire disminuye)

● Regla general usualmente correcta para solutos sólidos:A > T, > solubilidadA > T, > solubilidad

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4) Presión

● La presión no afecta significativamente la solubilidad de líquidos y sólidos

● Regla general correcta para solubilidad de gases: A > P, > solubilidadA > P, > solubilidad

Explicación:

c=k P

Ley de HenryLey de Henry

c = solubilidad (molaridad del soluto disuelto, mol/l)k = constante de Henry para un gasP = presión parcial del gas

P1

P2>P

1

c2 > c

1, ya que hay más moléculas gaseosas entrando al agua

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SOLUCIONES – Electrolitos


ElectrolitosElectrolitos: son aquellas moléculas que se disocian en solución, separándose en partes cargadas. Por ejemplo, NaCl → Na+ + Cl-

Electrolitos fuertes: se disocian completamente --> HCl, NaCl, NaOHElectrolitos débiles: se disocian parcialmente -----> NH

3, HC

2H

3O

2 (ac. acético)

Lo importante en las propiedades coligativascoligativas (cambio de Te, 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:

(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)

ΔT e=i k emΔT f=i k f mπ=i R M T

i= N de partículas soluto después de ladisoluciónN de partículas soluto antes de la disolución (factor de van’ t Hoff )

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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 coloidalsolución coloidal, suspensión coloidalsuspensión coloidal o coloide.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) Nombre (ejemplo)

Gas - líquido aerosol (niebla)

Gas - sólido aerosol (humo)

Líquido - gas espuma (crema batida)

Líquido - líquido emulsión (mayonesa)

Líquido - sólido sol (leche de magnesia)

Sólido - gas espuma (piedra pómez, merengue)

Sólido - líquido (ambas fases son continuas)

gel (gelatina, queso)

Sólido - sólido sol sólida (aleaciones: acero)

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Efecto TyndallEfecto Tyndall: los coloides dispersan la luz, las soluciones no.

solución coloide

El aire es un coloide (polvo, humo, etc)

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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.

Cabeza hidrofílica (Na+)Cadena hidrofóbica (CH

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Molécula de jabón (estearato de sodio)

Grasa (hidrofóbica)

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