Problemas de energía libre de Gibbs y constante de equilibrio
El equilibrio químico es el equilibrio termodinámico en un sistema donde son posibles las reacciones químicas directas e inversas. Si el equilibrio químico tiene lugar en el sistema, las tasas de todas las reacciones que proceden en dos direcciones opuestas son iguales. Por tanto, los parámetros macroscópicos del sistema no cambian y la relación entre las concentraciones de las sustancias que reaccionan permanece constante a una temperatura determinada. El equilibrio de cualquier reacción química se expresa mediante una igualdad ∑νiμi = 0, donde μi es el potencial químico de cada reactivo (i = 1,2, . . .) y νi es el coeficiente estequiométrico de cada sustancia en una ecuación de reacción química (es positivo para las sustancias iniciales y negativo para los productos de una reacción).
La dependencia del equilibrio químico de las condiciones externas se expresa mediante el principio de Le Chatelier-Braun (1885-1886). Consiste en la siguiente correlación: Dejar que se produzca el equilibrio y luego influir en el sistema, modificando algunas condiciones externas (temperatura, presión, concentraciones de las sustancias reaccionantes). El equilibrio de una reacción tiende a seguir una dirección tal que permite la reducción de una influencia externa. Un aumento de la temperatura provocará un desplazamiento del equilibrio hacia la dirección de dicha reacción que procede con la absorción de calor. Un aumento de la presión causará un desplazamiento del equilibrio para seguir la dirección de tal reacción que procede a una disminución del volumen. La introducción de cualquier reactivo adicional en el sistema impulsará el desplazamiento del equilibrio hacia una dirección en la que este reactivo se consuma.
Energía libre y constante de equilibrio
donde Co y Ce (mol/L) son las concentraciones de adsorbato al principio y después del equilibrio de adsorción, respectivamente; m (kg) es la masa seca del adsorbente utilizado; y V (L) es el volumen de la solución de adsorbato.2. Derivación de la constante de equilibrio termodinámico estándarEl proceso de adsorción puede considerarse como un equilibrio químico heterogéneo [2, 29-31]. Aunque esta definición es siempre correcta para todos los casos [3], es reconocida por la comunidad en el campo de la adsorción. Por lo tanto, el equilibrio químico entre los procesos de adsorción (→) y desorción (←) del adsorbato por el adsorbente puede expresarse generalmente como la ecuación (2) [21]. Una discusión detallada sobre esta derivación ha sido reportada por Lima y colegas [21]. Anteriormente, algunos autores han reportado otras ecuaciones principalmente similares a la Ecuación (2) [1, 32, 33].
En termodinámica, la derivación de la constante de equilibrio termodinámico debe partir de los potenciales químicos [2]. Sin embargo, en este estudio, la constante de equilibrio se introduce inicialmente para facilitar el seguimiento por parte de los lectores. La constante de equilibrio suele definirse en términos de actividad (a; sin unidades) en lugar de la concentración real en molar [2, 30, 34, 35].Las actividades de los sitios de adsorción en el adsorbente ocupados por el adsorbato (aAdsorbent-Adsorbate), los sitios de adsorción vacantes en el adsorbente (aAdsorbent) y el adsorbato en la solución (aAdsorbate) se definen en las ecuaciones (3), (4) y (5), respectivamente [5].
Fórmula de la constante de equilibrio termodinámico
Dexter Perkins (Universidad de Dakota del Norte), Andrea Koziol (Universidad de Dayton), John Brady (Smith College) La base para calcular una curva de reacción (una curva/línea en un diagrama de fases) es la comprensión de que la energía libre de Gibbs de una reacción (ΔGrxn) puede calcularse para cualquier condición P-T-X, siempre que se disponga de un punto de partida y de los datos termodinámicos necesarios. La relación fundamental es
albita = jadeíta + cuarzo. La curva puede calcularse a partir de un punto de partida de, por ejemplo, 800 grados y 2 GPa, y extrapolarse a temperaturas superiores. A lo largo de la línea de reacción, ΔGrxn = 0. Por encima de la línea ΔGrxn < 0; por debajo de la línea ΔGrxn > 0.
ΔG, ΔV y ΔS se refieren a la energía de Gibbs, el volumen y la entropía de la reacción. El superíndice de grado nos recuerda que estos valores son para fases puras. Los subíndices P y T nos recuerdan que los valores cambian con la presión y la temperatura.
El valor inicial de la energía libre de Gibbs, ΔGP1,T1, puede obtenerse directamente de estudios calorimétricos. Alternativamente, y más comúnmente, los estudios experimentales pueden proporcionar un punto de referencia en el que una reacción particular está en equilibrio (ΔGP,T = 0). En cualquier caso, la ecuación anterior se resuelve para encontrar la ubicación de la curva de reacción, puntos en los que ΔGrxn = 0. El resultado es una curva (a menudo casi una línea recta) en el espacio P-T-X que separa los campos de estabilidad para diferentes minerales o conjuntos minerales.
Constante termodinámica r
La constante de equilibrio de una reacción química es el valor de su cociente de reacción en el equilibrio químico, un estado al que se aproxima un sistema químico dinámico después de que haya transcurrido un tiempo suficiente en el que su composición no tiene ninguna tendencia mensurable a seguir cambiando. Para un conjunto dado de condiciones de reacción, la constante de equilibrio es independiente de las concentraciones analíticas iniciales de las especies reaccionante y producto en la mezcla. Así, dada la composición inicial de un sistema, se pueden utilizar valores conocidos de la constante de equilibrio para determinar la composición del sistema en equilibrio. Sin embargo, los parámetros de reacción como la temperatura, el disolvente y la fuerza iónica pueden influir en el valor de la constante de equilibrio.
El conocimiento de las constantes de equilibrio es esencial para la comprensión de muchos sistemas químicos, así como de procesos bioquímicos como el transporte de oxígeno por la hemoglobina en la sangre y la homeostasis ácido-base en el cuerpo humano.
El equilibrio químico se define como el valor del cociente de reacción Qt cuando las reacciones directas e inversas se producen a la misma velocidad. En el equilibrio químico, la composición química de la mezcla no cambia con el tiempo y el cambio de energía libre de Gibbs
