Capítulo 2 Equilíbrio físico de uma substancia pura

Capítulo 2
Equilíbrio físico de uma
substancia pura
2.1
2.1.1
Mudança de estado
líquido-gas
vaporização líquido → gas
condensação gas → líquido
2.1.2
sólido-líquido
fusão sólido → líquido
solidificação líquido → sólido
2.1.3
sólido-gas
sublimação gas → sólido
sublimação sólido → gas
1
2
2.2
CAPÍTULO 2. EQUILÍBRIO FÍSICO DE UMA SUBSTANCIA PURA
Condição de equilíbrio, com pressão e temperatura predeterminados
dG = 0
(2.1)
que pode se desenvolver em:
dG =
X ∂G
∂G
∂G
dp +
dT +
dni = 0
∂p
∂T
∂ni
(2.2)
A pressão e temperatura fixa os dois primeiros termos dessa equação
somem e temos só:
X ∂G
dni = 0
(2.3)
∂ni
O equilíbrio físico de uma substancia pura pode ser descrito como:
inicial
variação
equilíbrio
Af 1
n1
−dn1
n1 − dn1
*
)
Af 2
n2
+dn2
n2 + dn2
Dos coeficientes estequiometricos podemos perceber que:
dn1 = dn2
e a equação (2.3) pode se reescrever
!
∂G
∂G
−
dn1 = 0
∂n1 ∂n2
(2.4)
Essa igualdade será verificada sempre se:
∂G
∂G
=
∂n1
∂n2
(2.5)
2.3. POTENCIAL QUÍMICO µ
2.3
3
Potencial químico µ
Essas derivadas parciais da energia livre de Gibbs com respeito a quantidade de matéria de cada componente de um sistema são extremamente
importantes em química e tem um nome próprio: o potencial químico
µi (T, p) =
∂G
∂ni
(2.6)
É possível demonstrar que esses potenciais químicos são de fato grandezas
molares isto é que para uma substancia pura:
G=n×µ
2.3.1
(2.7)
Fase gasosa
É possível mostrar que para um gás perfeito:
µi (T, p) =
µ
i (T )
p
+ RT ln p
!
(2.8)
Onde p
é uma pressão de referencia. p
= 1bar
Existem tabelas de µ
i (T ) em função da temperatura.
2.3.2
Fase liquida
Não tem expressão simples para o potencial químico de um liquido puro,
só se sabe que ele depende muito pouco da pressão:
µi (T, p) ≈ µ
i (T )
(2.9)
Existem também tabelas de µ
i (T ) em função da temperatura.
2.3.3
Fase sólida
Não tem expressão simples para o potencial químico de um sólido puro,
só se sabe que ele quase independe da pressão:
µi (T, p) = µ
i (T )
Existem também tabelas de µ
i (T ) em função da temperatura.
(2.10)
4
CAPÍTULO 2. EQUILÍBRIO FÍSICO DE UMA SUBSTANCIA PURA
2.4
Diagrama de fase
Só pode ter um equilíbrio entre varias fases da mesma substância pura
se os potenciais químicos são iguais. Isto pode ser representado por
curvas no espaço (T, p) que representam os vários pontos onde se realiza
a igualdade dos potenciais químicos.
pressão de vapor : A pressão de vapor em equilíbrio com um sólido ou
um liquido.
ponto de ebulição : Num vaso aberto a pressão de vapor é igual à pressão
externa total.
ponto de fusão : Temperatura de equilíbrio entre fase liquida e sólida
numa certa pressão.
ponto triplo : Temperatura e pressão de equilíbrio entre as três fases
sólida, liquida e gasosa
ponto critico : Temperatura e pressão em cima dos quais não existe
mais diferença entre liquido e gás: fluido super-critico
Os pontos de fusão é de ebulição são ditos:
padrão : na pressão de 1bar.
normal : na pressão de 1atm.
2.4. DIAGRAMA DE FASE
2.4.1
Exemplos
Diagrama de fase da agua.
5
6
CAPÍTULO 2. EQUILÍBRIO FÍSICO DE UMA SUBSTANCIA PURA
Diagrama de fase do CO2