Potencial Químico

En esta parte del blog, me gustaría hablar un poco sobre la relación que existe entre la química y la física, es quizas aquí donde se vea más evidente por qué esta UEA se llama Fisicoquímica Experimental.

Iniciemos con una sencilla definición de qué es la Química: la química se ocupa de las transformaciones de las sustancias. Por ejemplo describe la reacción en la cual la gasolina y el oxígeno se transforman en dióxido de carbono y agua, sin embargo, esta definición de Química puede no ser la correcta, es decir, por una parte los químicos no sólo se ocupan de reacciones y por otra existen transformaciones de sustancias que no pertenecen a la Química sino a la Física nuclear..

La Química entonces es “un pariente próximo de la Física”, en general sería razonable considerar la Química y la Física como un campo único de las ciencias.

En termodinámica para medir la cantidad de calor se introduce una magnitud llamada entropía S. En electricidad se trabaja con una magnitud que mide la cantidad de electricidad: la carga eléctrica Q. En mecánica se utiliza una magnitud que mide la cantidad de movimiento: el momento p. Así mismo, en Química es necesaria una magnitud que mida la cantidad de cualquier sustancia, se ha llamado cantidad de sustancia y se representa por el símbolo n.

En cada uno de los campos mencionados se tiene que ver con otra magnitud característica, cuyos valores indican de dónde a donde fluye la cantidad correspondiente. Así, por ejemplo, los valores de la temperatura indican en qué dirección fluye la entropía: de la temperatura más alta a la más baja. El potencial eléctrico muestra la dirección en que fluye la carga eléctrica, y las velocidades de dos cuerpos indican la dirección de la corriente de momento en un proceso de fricción. Análogamente se tiene una magnitud “química”, que indica la dirección de una reacción química, dicha magnitud es el potencial químico, representado por la letra griega μ. El potencial químico muestra por ejemplo si la siguiente reacción ocurre por si sola de izquierda a derecha o de derecha a izquierda:

Podemos hablar del cambio de energía libre de todo el sistema o de cuales quiera de sus componentes. Sin embargo, debe hacerse notar que, en condiciones por lo demás idénticas, un volumen grande de agua tiene mas energía libre que uno pequeño. Por ello, conviene considerar la energía libre de una sustancia en relación con alguna cantidad unitaria de la sustancia. El cambio en energía libre por agregar un cantidad unitaria ( especialmente el peso molecular gramo) de una sustancia y se denomina potencial químico. Podría hablarse de energía libre por mol de sustancia. El potencial químico, como la temperatura y la concentración de soluto, es independiente de la cantidad de sustancia en consideración.

Para un soluto en un solvente, el potencial químico es aproximadamente proporcional a la concentración de soluto. En realidad, la concentración suele corregirse multiplicándola por algún factor que depende de la concentración misma y de otros parámetros, lo que da por resultado una concentración corregida que se conoce como actividad. El potencial químico de una sustancia puede calcularse mediante la relación.

Un soluto en difusión tiende a moverse de regiones con alto potencial químico (energía libre por mol) a regiones de bajo potencial.

            

En termodinámica, el potencial químico de cualquier sustancia, incluyendo el agua, tiene unidades de energía por cantidad de materia, como en la ecuación. Las unidades SI apropiadas son joules por kilogramo (J kg-¹) o joules por mol (j mol-1), si bien en el pasado fueron de uso común las calorías por mol o por kilogramo. En 1962, Taylor y Slatyer recomendaron que los términos de energía para el potencial químico se dividiesen entre el volumen molar parcial del agua, lo que daría entonces el potencial hídrico en unidades de presión. Los especialistas en fisiología vegetal han discutido por mucho tiempo en términos de presión los movimientos del agua, incluyendo los difusivos, por lo que tal sugerencia fue aceptada y se aplica ahora de forma casi universal. Aun es valido el usar unidades de energía cuando se habla del potencial hídrico, pero la mayoría de los especialistas en fisiología vegetal y en edafología utilizan en la actualidad la siguiente definición de potencial hídrico: El potencial hídrico es el potencial químico del agua en un sistema o parte de un sistema, expresado en unidades de presión, comparado con el potencial químico (también en unidades de presión) del agua pura a la presión atmosférica y a las mismas temperaturas y altura, y con el potencial químico del agua de referencia fijado en cero. Puede expresarse mediante la relación.

Donde

• Y = potencial hídrico
• Mw = potencial químico del agua pura a la presión atmosférica y a la misma temperatura que el sistema considerado.
• _Vw = volumen molar parcial del agua
•           ( 18 ^{cm3 mol-1})

Con base a la ecuación es evidente que si se calcula el potencial hídrico del agua pura el resultado es cero, dado que el potencial químico del agua pura se compara consigo mismo. Si el potencial químico del agua en consideración es menor que el del agua pura ( a igual temperatura y presión atmosférica), su potencial hídrico tendrá valor negativo.

Así como los solutos se difunden en respuesta a diferencias en el potencial químico del soluto, el agua se difunde en respuesta a diferencias en el potencial hídrico. Cuando el potencial hídrico es mayor en una región del sistema que en otra, y no hay una barrera impermeable que impida la difusión del agua, esta se difunde desde la región con potencial elevado a la de bajo potencial. El proceso es espontaneo; se libera energía libre hacia los alrededores y la energía libre del sistema disminuye. Esta energía liberal tienen la capacidad de realizar trabajo, como causar el ascenso osmótico del agua en los tallos, en el fenómeno conocido como presión radical. El trabajo máximo posible es equivalente a la energía libre que se libera, pero en ocasiones no se efectúa trabajo alguno. En este caso la energía libre aparece en el sistema y sus alrededores como calor o como mayor entropía. En cualquier caso, es importante recordar que se alcanza el equilibrio cuando el cambio en la energía libre o la diferencia de potencial hídrico es igual a cero. En este punto, la entropía del sistema y sus alrededores estará en un máximo, pero el cambio en la entropía será igual a cero.