Actividad química en termodinámica

Condiciones no ideales

Rachel entra a su clase de química y ve una ecuación química escrita en la pizarra: A + B → C. Como la mayoría de nosotros haría, asume que en esta reacción todos los reactivos y productos se comportan de manera ideal. Por lo tanto, asume que no hay interacciones entre, digamos, 100 partículas de los reactivos A y B que disminuirían las 100 partículas anticipadas del producto C.

En realidad, las partículas interactúan entre sí en función de variables como temperatura, presión y concentración de tal manera que reflejan una concentración reducida. Así, por ejemplo, la interacción de las partículas de A puede resultar en que actúen como si hubiera 90 partículas, no 100. Las partículas de B también pueden actuar como si hubiera 85 partículas.

¿Qué es la actividad química?

El maestro de Rachel, el Sr. Milani, dice que se use el término actividad química , dado el símbolo a , para explicar cómo los químicos explican las desviaciones del comportamiento ideal que pueden hacer que una especie ‘actúe como si’ hubiera una cantidad presente diferente de su real. concentración.

Por ejemplo, la actividad química, a , de un gas es la relación entre la presión real del gas y su presión ideal en las condiciones de temperatura y presión dadas. Esta relación se puede expresar mediante la siguiente ecuación donde p es presión:

a = p gas / p gas, ideal

Cuando la presión del gas (el numerador) es la misma que su presión en condiciones ideales (el denominador), la relación de las dos presiones es la misma. Por lo tanto, la actividad química de ese gas tiene un valor de 1, que también es el valor máximo para la actividad química de cualquier especie.

¿Qué pasa con las soluciones en las que se disuelve un soluto en un disolvente? Por ejemplo, Rachel disuelve un poco de cloruro de sodio sólido (llamado soluto) en agua (llamado solvente) para hacer una solución. Ella le señala al Sr. Milani que, a diferencia de los gases, los líquidos no son comprimibles, entonces, ¿cómo se puede usar la ecuación anterior?

El Sr. Milani le muestra una ecuación diferente para calcular la actividad química del soluto disuelto:

a = γ * m

• a es la actividad química
• γ se denomina coeficiente de actividad y se utiliza para detectar todas las desviaciones del comportamiento ideal
• m es la concentración del soluto en unidades de molalidad

El Sr. Milani le explica esta ecuación a Rachel, ya que puede resultar confusa. Para las soluciones, a medida que la solución se vuelve más diluida, la concentración de soluto disminuye y a se acerca a cero. Por tanto, el coeficiente de actividad gamma se acerca a uno. La solución se vuelve ideal a medida que disminuye la cantidad de soluto.

Fuerzas atractivas intermoleculares

Rachel pregunta: “¿Por qué sucede esto?”. ¿Qué causa que las actividades químicas sean menores que uno? ”

La respuesta está en las llamadas fuerzas de atracción intermoleculares , o fuerzas de atracción entre partículas (átomos, moléculas o iones).

Las moléculas tienen varias formas y simetrías resultantes. Que la simetría puede verse afectada dependiendo de la naturaleza de los átomos que la forman. Por ejemplo, una molécula que tiene forma triangular es simétrica si los átomos en las tres esquinas del triángulo son iguales.

Sin embargo, si dos de los átomos permanecen iguales y uno cambia, la simetría se pierde.

Rachel comenta que las moléculas parecen tener geometrías que surgen de sus formas. Milani está de acuerdo y explica que, según los átomos de la molécula y su disposición (su geometría molecular), una molécula puede tener dipolos , o regiones positivas y negativas, dentro de ella.

Esto surge de una propiedad de los átomos llamada electronegatividad, y esos dipolos pueden dar como resultado que la molécula general tenga una región algo cargada positivamente y una región algo cargada negativamente. Cuando esto ocurre, se dice que la molécula es polar . Por lo tanto, la molécula actúa como un imán realmente pequeño.

Cuando las moléculas polares se juntan, las moléculas tienden a ser atraídas entre sí en una orientación negativa-positiva, ¡como los imanes!

El aumento de concentración reduce la actividad química

El Sr. Milani le pregunta a Rachel: “¿Cómo crees que se expresa esta propiedad cuando tienes un gran número de moléculas o, si las moléculas son un gas, la presión del gas aumenta?”

Rachel responde que cuando aumenta la concentración de una molécula, hay más posibilidades de que las moléculas polares se atraigan entre sí porque hay más presentes.

El Sr. Milani dice “¡Correcto!” Y a medida que las moléculas polares se atraen entre sí, las partículas tienden a agruparse y no se comportan como partículas independientes. Cuando esto sucede, “actúan como si” hubiera menos presentes; su concentración efectiva es menor de la que se esperaría si las partículas no fueran atraídas entre sí.

Este agrupamiento debido a fuerzas de atracción intermoleculares hace que se reduzca la actividad química de la sustancia.

Las moléculas polares se atraen entre sí por fuerzas de atracción intermoleculares como resultado de la formación de dipolos.

La disminución de la concentración aumenta la actividad química

Digamos que sucede lo contrario, en otras palabras, la concentración de partículas disminuye debido a una disminución de la concentración o una disminución de la presión. Rachel deduce que ahora hay menos partículas en un volumen dado.

Entonces, las moléculas pueden estar más separadas, lo que resulta en una disminución de las fuerzas de atracción intermoleculares entre ellas. El resultado es que las partículas se mueven y actúan independientemente unas de otras, y la actividad química se acerca a su máximo.

Resumen de la lección

La actividad química es una medida de la concentración efectiva de una especie en una solución. Para calcular la actividad química de un soluto, use la ecuación:

a = γ * m

Donde a es la actividad química, Γ es el coeficiente de actividad ym es la concentración del soluto en molalidad. A medida que disminuye la concentración de soluto, a se acerca a 1 y la solución se vuelve más ideal. La actividad química se puede incrementar reduciendo la presión de un gas o diluyendo una solución.

Esto sucede debido a las fuerzas de atracción intermoleculares o las fuerzas de atracción entre partículas (átomos, moléculas o iones). Según los átomos de la molécula y su disposición, una molécula puede tener dipolos o regiones positivas y negativas. La molécula es entonces polar y actúa como un imán. Las partículas se agrupan, actuando de forma menos independiente y como si hubiera menos presentes. Por tanto, su concentración efectiva es menor.