Equilibrio de fases. Definiciones

Saludos queridos amigos de Hive.

El equilibrio material está compuesto por dos tipos de equilibrio, el equilibrio químico y el equilibrio entre fases. Si bien el equilibrio químico está presente en innumerables reacciones químicas que ocurren de forma cotidiana en nuestro entorno, el equilibrio y la transición entre fases es más evidente, basta con mencionar como el ciclo del agua, con su continua evaporación y condensación del agua es indispensable para el planeta, está presente en procesos tan sencillos como servirse una bebida con hielo o en procesos industriales como la destilación del petróleo o la adsorción de gases sobre la superficie de catalizadores.

Equilibrio sólido-líquido, cada fase esta a la misma temperatura y presión. Fuente: @emiliomoron.

Ahora bien, procesos como la vaporización, condensación, sublimación o la transición de una fase sólida a otra pueden ser tratados mediante métodos particulares y específicos para cada tipo de equilibrio, por ejemplo la Ley de Raoult y las ecuaciones de Clapeyron para el equilibrio entre líquido y vapor. Sin embargo, es posible tratar los equilibrios entre fases con un enfoque más unificado, mediante un principio conocido como la regla de las fases, con el cual, el número de variables a las que se encuentra sometido un sistema en equilibrio queda definido bajo ciertas condiciones. Pero antes de hablar sobre la regla de las fases necesitamos revisar algunos términos que se emplean en este contexto.

Definiciones

Revisemos las definiciones con un sencillo ejemplo, consideremos un vaso de agua con hielo, el cual será nuestro sistema termodinámico.

Sistema de dos fases un componente. Fuente: @emiliomoron.

Este sistema contiene solo una sustancia pero la misma está presente en dos estados de agregación, sólido y líquido, así que decimos que está compuesto por un componente y dos fases. Con el término fase hacemos referencia a una porción homogénea del sistema, en la cual las propiedades físicas y químicas son uniformes, y el número de componentes puede definirse como el mínimo número de especies químicas presentes en el sistema, cuyas formulas expresan la composición de cada fase. En el ejemplo, los cubos de hielo representan una fase y el agua líquida representan otra, y ambas fases están compuestas del mismo componente, agua.

A veces suele utilizarse el término fase para hacer referencia al estado de agregación de la materia, por ejemplo fase sólida, líquida o gas, pero bajo este contexto puede existir un sistema con dos fases líquidas inmiscibles, por ejemplo cuando mezclamos agua y aceite, coexisten dos fases de composición química diferente aunque todo el sistema se encuentra en el mismo estado de agregación.

Sistema compuesto por dos fases líquidas y dos componentes. Fuente: @emiliomoron.

Una forma fácil de distinguir entre dos fases es evaluar si tiene una composición química diferente y físicamente son separables, así el agua y el aceite son dos fases diferentes, a pesar de estar en el mismo estado, ya que químicamente son compuestos diferentes y podemos separarlas mediante una decantación.

Por otro lado hablamos de que dos fases se encuentran en equilibrio cuando el transporte de masa de una fase a la otra permanece constante a una condición dada de temperatura y presión, coexistiendo ambas fases en el sistema. Volviendo al caso del vaso con hielo podemos decir que el equilibrio se alcanza cuando a una determinada condición, la velocidad con que el hielo se derrite iguala la velocidad con la que el agua se congela, esto ocurre a aproximadamente 0 °C y una atmosfera de presión. En este caso se habla de un equilibrio verdadero, ya que se puede lograr en cualquier dirección, es decir, podemos conseguir hielo y agua a 0°C derritiendo parcialmente el hielo o congelando parcialmente el agua.

Equilibrio verdadero entre hielo y agua. Fuente: @emiliomoron.

También se puede hablar de un equilibrio metaestable, un equilibrio que se logra en una sola dirección. Por ejemplo, podemos conseguir tener agua líquida a -5 °C mediante un cuidadoso enfriamiento del agua, pero no mediante fusión del hielo, ya que este solo se derrite a 0°C. Este tipo de equilibrio es inestable y solo se sostiene si no hay una variación repentina en el sistema, como la siembra de un cristal o la agitación.

El agua subenfriada es un equilibrio metaestable, con cualquier perturbación se rompe el equilibrio y se congela súbitamente. Fuente: @emiliomoron.

Por ultimo debemos definir lo que se conoce como grados de libertad, o la varianza, de un sistema, con ello se hace referencia al mínimo numero de variables intensivas independientes (como la temperatura, presión y composición) necesarias para especificar el estado termodinámico del sistema, es decir, la que son necesarias para definir las restantes variables intensivas del sistema. Por ejemplo, si queremos definir la densidad del agua es necesario establecer tanto la temperatura y presión que corresponden a ese valor, ya que el agua líquida puede existir en un amplio rango de presiones y temperaturas, y tener diferentes densidades según cada condición, así que al hablar de esta propiedad sin mencionar la temperatura y la presión no queda definido claramente el estado del agua.

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Bueno amigos espero que la información presentada les haya gustado y sea de utilidad para que en una próxima oportunidad continuemos ampliendo el fundamento fisicoquímico del equilibrio entre fases. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

Maron & Prutton (2006). Fundamentos de fisicoquímicada. Editorial Limusa.

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