La regla de las fases de Gibbs y los diagramas de fases en sistemas de un componente

in StemSocial2 months ago
Saludos estimados amigos de Hive.

El equilibrio de fases es un aspecto muy importante del equilibrio material, ya que es la base de los procesos de separación de sustancias, pero también existen muchas condiciones en las que pueden coexistir dos fases diferentes de una sustancia pura, por ejemplo el agua líquida y el hielo, ambas fases están compuestas del mismo componente “agua” pero aunque estamos acostumbrados a ver que el agua cambia de fase sólida a líquida a 0°C, la verdad es que esto solo ocurre cuando la presión externa es aproximadamente de 1 atmosfera, ya que el hielo y el agua pueden coexistir en diferentes rangos de temperaturas y presión.

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Fuente: @emiliomoron.

Por otro lado, compuestos como el azufre pueden producirse dos fases sólidas distintas según la temperatura del sistema, lo que da origen a cuatro fases únicas. Por lo que la complejidad de los sistemas de un solo componente depende del número de fases sólidas que existen en dicho sistema, ya que el número posible de equilibrios se incrementa, lo que hace que el diagrama de fases se complique.

Diagramas de fases

Son representaciones graficas de temperatura o presión frente a la composición de un componente del sistema, de forma tal que se pueden resumir gráficamente el conjunto de equilibrios entre fases posibles termodinámicamente para diversos intervalos de temperatura o presión. A partir de estos diagramas es posible deducir el efecto de la temperatura sobre las distintas fases y las reacciones que pueden darse entre ellas.

Diagrama de fases del agua

Un ejemplo clásico del diagrama de fases de un sistema de un solo componente es el diagrama de fases del agua, como se trata del sistema de una sustancia pura la composición no se representa y el sistema se reduce a representar los cambios de fases frente a la temperatura versus la presión del sistema.

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Esquema del diagrama de fases del agua. Fuente: Diseño en PowerPoint con datos tomados de Levine, I. (2004).

Si observamos la imagen anterior podremos notar que es fácil distinguir que las áreas abiertas del diagrama representan el conjunto de condiciones para las cuales el sistema se mantiene en una sola fase, por ejemplo, por debajo de -50 °C y 100 MPa apreciamos que solo es posible obtener hielo, a temperatura y presión moderada es posible encontrar su fase líquida, mientras que a bajas presiones o altas temperaturas se favorece la existencia de la fase vapor.

Estos diagramas de fases se basan en la regla de las fases de Gibbs, L = C-F+2, la cual mencione previamente en mi post Deducción de la regla de las fases de Gibss. Cuando aplicamos la regla de las fases en un punto dentro de estas regiones abiertas, es decir, cuando solo hay una fase presente, vemos que la regla de las fases nos queda como L = 2, es decir que se necesitan de dos grados de libertad para definir el sistema, si lo pensamos tiene sentido, ya que no basta con decir agua líquida a 25 °C ya que es posible tener agua líquida a esa temperatura pero a varias presiones, por eso se necesita especificar las dos variables, T y P.

Decimos entonces que el sistema es monofásico pero bivariante, ya que se necesitan dos variables independientes para localizar un punto cualquiera dentro de estas áreas del diagrama y definir la condición de una fase. Y como cada una de las fases del agua ocupa un área en el diagrama P-T, y son posibles tres fases del agua, se puede deducir que existen tres áreas principales en este diagrama, una para cada fase.

Ahora bien, cuando coexisten dos fases en equilibrio, por ejemplo líquido y vapor, entonces F =2 y la regla de las fases nos queda como L = 1, y como una sola variable determina una línea podemos esperar entonces que equilibrios bifásicos se representen como una línea en el diagrama P-T. Así, como son posibles tres equilibrios bifásicos, en el diagrama de fases del agua vamos a encontrar tres líneas principales de separación entre las distintas fases. Esto tiene sentido ya que, por ejemplo, el agua hierve a 100 °C a una atmosfera de presión, es decir, que solo necesitamos precisar una variable para definir el equilibrio líquido-vapor del agua a estas condiciones, ya que si el agua está hirviendo y la presión del sistema es de 1 atm, queda automáticamente establecido que la temperatura del sistema es 100 °C. Cuando coexisten dos fases en equilibrio decimos que el sistema es bifásico y monovariante.

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Esquema aproximado del diagrama de fases del agua. Fuente: Diseño en PowerPoint con datos tomados de Levine, I. (2004).

Finalmente podemos anticipar que el punto donde convergen estas tres líneas de equilibrio es un punto de equilibrio trifásico, por lo tanto coexisten las tres fases del agua en equilibrio y la regla de las fases predice que L = 0, es decir no hay grados de libertad y el sistema se vuelve invariante, por lo que no se necesita especificar ninguna variable ya que tanto la temperatura como la presión son fijas. En pocas palabras, esta condición de equilibrio es tan única que solo es posible a una temperatura y presión determinada, por lo cual quedan definidas al presentarse esta condición. A este punto de equilibrio trifásico se le conoce como punto triple, y solo es posible a 0,01 °C y 4,58 atm.

Aunque la regla de las fases nos permite predecir los diferentes equilibrios y zonas del diagrama, para dibujar las líneas de equilibrio y representar su ubicación exacta se necesita de levantar datos experimentalmente. Pero como vemos, los valores de L nos permiten establecer cuáles y cuantos equilibrios podemos esperar para la representación de un diagrama de fases.


Bueno amigos espero que la información les haya gustado y sea de utilidad para comprender el fundamento fisicoquímico del equilibrio entre fases. ¡Hasta la próxima!


Referencias

Maron & Prutton (2006). Fundamentos de fisicoquímicada. Editorial Limusa.
Levine, I. (2004). Fisicoquímica. Editorial McGraw Hill.


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Me recordaste a mis clases de Fisicoquímica. Genial, yo llevé esa asignatura con el mismo autor, Levine.
Saludos.

Excelente amigo, espero haya sido un buen recuerdo jaja. Saludos y gracias por comentar.

Hola @emiliomoron, química, fue una de mis materias favoritas y disfrutar este post lo reafirma.
El punto triple, "equilibrio trifásico" y punto critico....... pregunta segura de examen!. Que agradable recordar los fundamentos de la fisicoquímica del equilibrio entre fases.
Hasta la próxima.

Hola @raizayanez, me alegra que disfrutaras el post, estos son conceptos fundamentales para abordar el equilibrio de fases, que bueno te dejaron buenos recuerdos.

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