Potencial químico
En termodinámica , el potencial químico de una especie es la energía que se puede absorber o liberar debido a un cambio en el número de partículas de la especie dada, por ejemplo, en una reacción química o transición de fase . El potencial químico de una especie en una mezcla se define como la tasa de cambio de la energía libre de un sistema termodinámico con respecto al cambio en el número de átomos o moléculas de las especies que se agregan al sistema. Por lo tanto, es la derivada parcialde la energía libre con respecto a la cantidad de la especie, permaneciendo constantes las concentraciones de todas las demás especies en la mezcla. Cuando tanto la temperatura como la presión se mantienen constantes y el número de partículas se expresa en moles, el potencial químico es la energía libre de Gibbs molar parcial . [1] [2] En el equilibrio químico o en el equilibrio de fase , la suma total del producto de los potenciales químicos y los coeficientes estequiométricos es cero, ya que la energía libre es mínima. [3] [4] [5]En un sistema en equilibrio de difusión, el potencial químico de cualquier especie química es uniformemente el mismo en todas partes del sistema. [6]
En física de semiconductores , el potencial químico de un sistema de electrones a temperatura absoluta cero se conoce como energía de Fermi . [7]
Las partículas tienden a moverse de un potencial químico más alto a un potencial químico más bajo porque esto reduce la energía libre. De esta manera, el potencial químico es una generalización de "potenciales" en física como el potencial gravitacional . Cuando una pelota rueda cuesta abajo, se mueve desde un potencial gravitacional más alto (energía interna más alta, por lo tanto, potencial más alto para el trabajo) a un potencial gravitacional más bajo (energía interna más baja). De la misma forma, a medida que las moléculas se mueven, reaccionan, disuelven, funden, etc., siempre tenderán naturalmente a pasar de un potencial químico más alto a uno más bajo, cambiando el número de partículas , que es la variable conjugada del potencial químico.
Un ejemplo simple es un sistema de moléculas diluidas que se difunden en un ambiente homogéneo. En este sistema, las moléculas tienden a moverse de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, hasta que finalmente, la concentración es la misma en todas partes. La explicación microscópica de esto se basa en la teoría cinética y el movimiento aleatorio de las moléculas. Sin embargo, es más simple describir el proceso en términos de potenciales químicos: para una temperatura dada, una molécula tiene un potencial químico más alto en un área de mayor concentración y un potencial químico más bajo en un área de baja concentración. El movimiento de moléculas de mayor potencial químico a menor potencial químico va acompañado de una liberación de energía libre. Por lo tanto, es un proceso espontáneo..
Otro ejemplo, no basado en la concentración sino en la fase, es un cubo de hielo en un plato por encima de 0 °C. Una molécula de H 2 O que se encuentra en fase sólida (hielo) tiene un potencial químico mayor que una molécula de agua que se encuentra en fase líquida (agua) por encima de 0 °C. Cuando parte del hielo se derrite, las moléculas de H 2 O se convierten de sólido a líquido más cálido donde su potencial químico es menor, por lo que el cubo de hielo se encoge. A la temperatura del punto de fusión , 0 °C, los potenciales químicos del agua y del hielo son los mismos; el cubo de hielo no crece ni se encoge, y el sistema está en equilibrio .
Un tercer ejemplo se ilustra con la reacción química de disociación de un ácido débil H A (como el ácido acético , A = CH 3 COO − ):
