En química , el estado estándar de un material ( sustancia pura , mezcla o solución ) es un punto de referencia que se utiliza para calcular sus propiedades en diferentes condiciones. Se utiliza un círculo en superíndice para designar una cantidad termodinámica en el estado estándar, como el cambio en la entalpía (ΔH °), el cambio en la entropía (ΔS °) o el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG °). [1] [2] (Consulte la discusión sobre composición tipográfica a continuación).
En principio, la elección del estado estándar es arbitraria, aunque la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) recomienda un conjunto convencional de estados estándar para uso general. [3] La IUPAC recomienda utilizar una presión estándar p ⦵ = 10 5 Pa . [4] Estrictamente hablando, la temperatura no forma parte de la definición de un estado estándar. Por ejemplo, como se analiza a continuación, el estado estándar de un gas se elige convencionalmente para que sea la presión unitaria (normalmente en bares) de gas ideal , independientemente de la temperatura. Sin embargo, la mayoría de las tablas de cantidades termodinámicas se compilan a temperaturas específicas, más comúnmente 298.15 K (25.00 ° C; 77.00 ° F) o, algo menos comúnmente, 273.15 K (0.00 ° C; 32.00 ° F). [5]
El estado estándar no debe confundirse con la temperatura y presión estándar (STP) para gases, [6] ni con las soluciones estándar utilizadas en química analítica . [7] STP se usa comúnmente para cálculos que involucran gases que se aproximan a un gas ideal , mientras que las condiciones de estado estándar se usan para cálculos termodinámicos . [5]
Para un material o sustancia dada, el estado estándar es el estado de referencia para las propiedades del estado termodinámico del material, como entalpía , entropía , energía libre de Gibbs y para muchos otros estándares de materiales. El cambio de formación de entalpía estándar para un elemento en su estado estándar es cero, y esta convención permite calcular y tabular una amplia gama de otras cantidades termodinámicas. El estado estándar de una sustancia no tiene por qué existir en la naturaleza: por ejemplo, es posible calcular valores para el vapor a 298,15 K y 10 5 Pa , aunque el vapor no existe (como gas) en estas condiciones. La ventaja de esta práctica es que las tablas de propiedades termodinámicas preparadas de esta manera son autoconsistentes.
Estados estándar convencionales
Muchos estados estándar son estados no físicos, a menudo denominados "estados hipotéticos". Sin embargo, sus propiedades termodinámicas están bien definidas, generalmente mediante una extrapolación de alguna condición limitante, como presión cero o concentración cero, a una condición específica (generalmente concentración unitaria o presión) utilizando una función de extrapolación ideal, como solución ideal o ideal. comportamiento de los gases, o mediante mediciones empíricas.
Gases
El estado estándar de un gas es el estado hipotético que tendría como sustancia pura obedeciendo la ecuación del gas ideal a presión estándar (10 5 Pa, o 1 bar). Ningún gas real tiene un comportamiento perfectamente ideal, pero esta definición del estado estándar permite que se realicen correcciones por no idealidad de manera consistente para todos los diferentes gases.
Líquidos y sólidos
El estado estándar para líquidos y sólidos es simplemente el estado de la sustancia pura sometida a una presión total de 10 5 Pa. Para la mayoría de los elementos, el punto de referencia de Δ H f ⦵ = 0 se define para el alótropo más estable del elemento, como el grafito en el caso del carbono, y la fase β (estaño blanco) en el caso del estaño . Una excepción es el fósforo blanco , el alótropo más común del fósforo, que se define como el estado estándar a pesar de que solo es metaestable . [8]
Solutos
Para una sustancia en solución (soluto), el estado estándar generalmente se elige como el estado hipotético que tendría en el estado estándar de molalidad o concentración de cantidad, pero exhibiendo un comportamiento de dilución infinita (donde no hay interacción soluto-soluto sino soluto-solvente interacciones). La razón de esta definición inusual es que el comportamiento de un soluto en el límite de dilución infinita se describe mediante ecuaciones que son muy similares a las ecuaciones para gases ideales. Por lo tanto, tomar el comportamiento de dilución infinita como el estado estándar permite que las correcciones para la no idealidad se realicen de manera consistente para todos los diferentes solutos. La molalidad en estado estándar es 1 mol kg −1 , mientras que la molaridad en estado estándar es 1 mol dm −3 .
Son posibles otras opciones. Por ejemplo, el uso de una concentración de estado estándar de mol L −1 para el ion hidrógeno en una solución acuosa real es común en el campo de la bioquímica . [9] [10] En otras áreas de aplicación, como la electroquímica , el estado estándar a veces se elige como el estado real de la solución real a una concentración estándar (a menudo 1 mol dm −3 ). [11] Los coeficientes de actividad no se transferirán de una convención a otra, por lo que es muy importante conocer y comprender qué convenciones se usaron en la construcción de tablas de propiedades termodinámicas estándar antes de usarlas para describir soluciones.
Adsorbe
Para las moléculas adsorbidas en superficies, se han propuesto varias convenciones basadas en estados estándar hipotéticos. Para la adsorción que ocurre en sitios específicos (adsorción de Langmuir), el estado estándar más común es una cobertura relativa de θ ° = 0.5, ya que esta elección da como resultado una cancelación del término de entropía configuracional y también es consistente con no incluir el estado estándar ( que es un error común). [12] La ventaja de usar θ ° = 0.5 es que el término configuracional se cancela y la entropía extraída de los análisis termodinámicos refleja así los cambios intramoleculares entre la fase global (como gas o líquido) y el estado adsorbido. Puede resultar beneficioso tabular valores basados tanto en un estado estándar basado en cobertura relativa como en una columna adicional en un estado estándar basado en cobertura absoluta. Para los estados de gas 2D, no surge la complicación de los estados discretos y se ha propuesto un estado estándar de base de densidad absoluta, similar para la fase de gas 3D. [12]
Tipografía
En el momento del desarrollo en el siglo XIX, se adoptó el símbolo Plimsoll en superíndice ( ⦵ ) para indicar la naturaleza distinta de cero del estado estándar. [13] La IUPAC recomienda en la 3ª edición de Cantidades, Unidades y Símbolos en Química Física un símbolo que parece ser un signo de grado (°) como sustituto de la marca de plimsoll. En la misma publicación, la marca de plimsoll parece estar construida combinando un trazo horizontal con un signo de grado. [14] En la literatura se utiliza una variedad de símbolos similares: una letra minúscula con trazos O ( o ), [15] un superíndice cero ( 0 ) [16] o un círculo con una barra horizontal donde la barra se extiende más allá de los límites del círculo ( U + 29B5 ⦵ CÍRCULO CON BARRA HORIZONTAL ) o está encerrado por el círculo, dividiendo el círculo por la mitad (U + 2296 ⊖ EN UN CÍRCULO MENOS ). [17] [18] En comparación con el símbolo de plimsoll utilizado en los barcos, la barra horizontal debe extenderse más allá de los límites del círculo; Se debe tener cuidado de no confundir el símbolo con la letra griega theta (mayúscula Θ o ϴ, minúscula θ).
El uso de un símbolo de grado (°) o un superíndice cero () se ha generalizado en los libros de texto de química física, inorgánica y general en los últimos años, como sugiere Mills (vide supra). [19] [20] [21]
Ver también
- Condiciones estándar de temperatura y presión.
- Entropía molar estándar
Referencias
- Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (1982). "Notación para estados y procesos, significado de la palabra estándar en termodinámica química y comentarios sobre formas comúnmente tabuladas de funciones termodinámicas" (PDF) . Pure Appl. Chem. 54 (6): 1239–50. doi : 10.1351 / pac198254061239 .
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- ^ Mills, IM (1989) "La elección de nombres y símbolos para cantidades en química". Journal of Chemical Education (vol. 66, número 11, noviembre de 1989 p. 887–889) [Tenga en cuenta que Mills (que participó en la producción de una revisión de Cantidades, unidades y símbolos en química física ) se refiere al símbolo ⊖ (Unicode 2296 "Círculo menos" como se muestra en https://www.unicode.org/charts/PDF/U2980.pdf ) como un símbolo de plimsoll, aunque carece de una barra que se extienda en el artículo impreso. Mills también dice que un superíndice cero es una alternativa igual para indicar "estado estándar", aunque en el mismo artículo se usa un símbolo de grado (°)]
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