Definición de ecuación (química física)

En química física , existen numerosas magnitudes asociadas con los compuestos y las reacciones químicas , en particular en términos de cantidades de sustancia, actividad o concentración de una sustancia y velocidad de reacción. En este artículo se utilizan unidades del SI .

Introducción

La química teórica requiere cantidades de la física básica , como el tiempo , el volumen , la temperatura y la presión . Pero la naturaleza altamente cuantitativa de la química física, de una manera más especializada que la física básica, utiliza cantidades molares de sustancia en lugar de simplemente contar números; esto conduce a las definiciones especializadas de este artículo. La física básica en sí misma rara vez utiliza el mol, excepto en áreas que se superponen con la termodinámica y la química .

Notas sobre nomenclatura

La entidad se refiere al tipo de partícula/s en cuestión, como átomos , moléculas , complejos , radicales , iones , electrones , etc. ^[1]

Tradicionalmente, para las concentraciones y actividades , se utilizan corchetes [ ] alrededor de la fórmula molecular química . Para un átomo arbitrario, se suelen utilizar letras genéricas en tipografía vertical, no en negrita, como A, B, R, X o Y, etc.

No se utilizan símbolos estándar para las siguientes cantidades, tal como se aplican específicamente a una sustancia :

• la masa de una sustancia m ,
• el número de moles de la sustancia n ,
• presión parcial de un gas en una mezcla gaseosa p (o P ),
• alguna forma de energía de una sustancia (para la química la entalpía H es común),
• entropía de una sustancia S
• la electronegatividad de un átomo o enlace químico χ .

Generalmente se utiliza el símbolo de la cantidad con un subíndice de alguna referencia a la cantidad, o la cantidad se escribe con la referencia a la sustancia química entre paréntesis. Por ejemplo, la masa del agua se puede escribir en subíndices como m _{H 2 O} , m _agua , m _aq , m _w (si el contexto lo indica claramente), etc., o simplemente como m (H ₂ O). Otro ejemplo podría ser la electronegatividad del enlace covalente flúor -flúor , que se puede escribir con subíndices χ _F-F , χ _FF o χ _F-F etc., o corchetes χ (FF), χ (FF) etc.

Ninguna de las dos es estándar. Para los fines de este artículo, la nomenclatura es la siguiente, que coincide estrechamente (pero no exactamente) con el uso estándar.

En el caso de ecuaciones generales sin referencia específica a una entidad, las cantidades se escriben como sus símbolos con un índice para etiquetar el componente de la mezcla, es decir, q _i . El etiquetado es arbitrario en la elección inicial, pero una vez elegido, es fijo para el cálculo.

Si se hace referencia a una entidad real (por ejemplo, iones de hidrógeno H ^{+ ) o a cualquier entidad (por ejemplo, X), el símbolo de cantidad} q va seguido de corchetes curvos ( ) que encierran la fórmula molecular de X, es decir, q (X), o para un componente i de una mezcla q (X _i ). No debería surgir ninguna confusión con la notación para una función matemática .

Cuantificación

Magnitudes básicas generales

Magnitudes derivadas generales

Cinética y equilibrios

Las fórmulas definitorias de las constantes de equilibrio K _c (todas las reacciones) y K _p (reacciones gaseosas) se aplican a la reacción química general:

$${\displaystyle {\ce {{\nu _{1}X1}+{\nu _{2}X2}+\cdots +\nu _{\mathit {r}}X_{\mathit {r}}<=>{\eta _{1}Y1}+{\eta _{2}Y2}+\cdots +\eta _{\mathit {p}}{Y}_{\mathit {p}}}}}$$

y la ecuación definitoria de la constante de velocidad k se aplica a la reacción de síntesis más simple (un solo producto ):

$${\displaystyle {\ce {{\nu _{1}X1}+{\nu _{2}X2}+\cdots +\nu _{\mathit {r}}X_{\mathit {r}}->\eta {Y}}}}$$

dónde:

• i = componente de etiquetado de índice ficticio i de la mezcla de reactivos ,
• j = índice ficticio del componente de etiquetado i de la mezcla de productos ,
• Xi = componente i de la mezcla de reactivos _,
• Y _j = componente reactivo j de la mezcla de productos,
• r (como índice) = número de componentes reactivos,
• p (como índice) = número de componentes del producto,
• ν _i = número de estequiometría para el componente i en la mezcla de productos,
• η _j = número de estequiometría para el componente j en la mezcla de productos,
• σ _i = orden de reacción del componente i en la mezcla de reactivos.

Los índices ficticios de las sustancias X e Y etiquetan los componentes (arbitrarios pero fijos para el cálculo); no son los números de las moléculas de cada componente como en la notación química habitual .

Las unidades de las constantes químicas son inusuales, ya que pueden variar según la estequiometría de la reacción y el número de componentes reactivos y productos. Las unidades generales de las constantes de equilibrio se pueden determinar mediante métodos habituales de análisis dimensional . Para la generalidad de las unidades de cinética y equilibrio que se indican a continuación, sean los índices de las unidades;

$${\displaystyle S_{1}=\sum _{j=1}^{p}\eta _{j}-\sum _{i=1}^{r}\nu _{i}\,,\quad \,S_{2}=1-\sum _{i=1}^{r}\sigma _{i}\,.}$$

Haga clic aquí para ver su derivación

Para la constante K _c ;

Sustituya las unidades de concentración en la ecuación y simplifique:

$${\displaystyle {\begin{aligned}K_{c}&={\frac {\prod _{j=1}^{p}\left[{\ce {Y}}_{j}\right]^{y_{j}}}{\prod _{i=1}^{r}\left[{\ce {X}}_{i}\right]^{x_{i}}}}\\\left[K_{c}\right]&={\frac {\prod _{j=1}^{p}[{\ce {M}}]^{y_{j}}}{\prod _{i=1}^{r}[{\ce {M}}]^{x_{i}}}}\\&={\frac {[{\ce {M}}]^{y_{1}}[{\ce {M}}]^{y_{2}}\cdots [{\ce {M}}]^{y_{p}}}{[{\ce {M}}]^{x_{1}}[{\ce {M}}]^{x_{2}}\cdots [{\ce {M}}]^{x_{r}}}}\\&={\frac {[{\ce {M}}]^{\sum _{j=1}^{p}y_{j}}}{[{\ce {M}}]^{\sum _{i=1}^{r}x_{i}}}}\\&=[{\ce {M}}]^{\sum _{j=1}^{p}y_{j}-\sum _{i=1}^{r}x_{i}}\end{aligned}}\ ({\ce {M=mol\;dm^{-3}}})}$$

El procedimiento es exactamente idéntico para K _p .

Para la constante k

$${\displaystyle {\begin{aligned}k&={\frac {\frac {\mathrm {d} [{\ce {Y}}]}{\mathrm {d} t}}{\prod _{i=1}^{r}\left[{\ce {X}}_{i}\right]^{\sigma _{i}}}}\\\left[k\right]&={\frac {[{\ce {M}}]s^{-1}}{\prod _{i=1}^{r}[{\ce {M}}]^{\sigma _{i}}}}\\&={\frac {[{\ce {M}}]s^{-1}}{[{\ce {M}}]^{\sum _{i=1}^{r}\sigma _{i}}}}\\&=[{\ce {M}}]^{1-\sum _{i=1}^{r}\sigma _{i}}s^{-1}\end{aligned}}}$$

Electroquímica

La notación para los potenciales de electrodos estándar de semirreacción es la siguiente. La reacción redox

$${\displaystyle {\ce {A + BX <=> B + AX}}}$$

Dividir en:

• una reacción de reducción : ${\displaystyle {\ce {B+ + e^- <=> B}}}$
• y una reacción de oxidación : ${\displaystyle {\ce {A+ + e^- <=> A}}}$

(escrito de esta manera por convención) el potencial del electrodo para las semireacciones se escribe como y respectivamente. ${\displaystyle E^{\ominus }\left({\ce {A+}}\vert {\ce {A}}\right)}$ ${\displaystyle E^{\ominus }\left({\ce {B+}}\vert {\ce {B}}\right)}$

Para el caso de un semielectrodo metal-metal, siendo M el metal y z su valencia , la semireacción toma la forma de una reacción de reducción:

$${\displaystyle {\ce {{M^{+{\mathit {z}}}}+{\mathit {z}}e^{-}<=>M}}}$$

Química cuántica

Referencias

1. IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "elementary entity". doi :10.1351/goldbook.IE02033
2. Análisis químico cuantitativo (cuarta edición) , IM Kolthoff, EB Sandell, EJ Meehan, S. Bruckenstein, The Macmillan Co. (EE. UU.) 1969, Número de catálogo de la Biblioteca del Congreso 69 10291
3. Análisis químico cuantitativo (cuarta edición) , IM Kolthoff, EB Sandell, EJ Meehan, S. Bruckenstein, The Macmillan Co. (EE. UU.) 1969, Número de catálogo de la Biblioteca del Congreso 69 10291
4. Química física , P. W. Atkins, Oxford University Press, 1978, ISBN 0-19-855148-7 

Fuentes

• Química física , P. W. Atkins, Oxford University Press, 1978, ISBN 0-19-855148-7 
• Química, materia y universo , RE Dickerson, I. Geis, WA Benjamin Inc. (EE. UU.), 1976, ISBN 0-8053-2369-4 
• Termodinámica química , DJG Ives, Serie de Química Universitaria, Macdonald Technical and Scientific co. ISBN 0-356-03736-3 . 
• Elementos de termodinámica estadística (2.ª edición) , LK Nash, Principios de química, Addison-Wesley, 1974, ISBN 0-201-05229-6 
• Física estadística (2.ª edición) , F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-91533-1 

Lectura adicional

• Quanta: Un manual de conceptos , PW Atkins, Oxford University Press, 1974, ISBN 0-19-855493-1 
• Mecánica cuántica molecular, partes I y II: Introducción a la QUÍMICA CUÁNTICA (volumen 1) , PW Atkins, Oxford University Press, 1977, ISBN 0-19-855129-0 
• Termodinámica, de los conceptos a las aplicaciones (2.ª edición) , A. Shavit, C. Gutfinger, CRC Press (Taylor and Francis Group, EE. UU.), 2009, ISBN 978-1-4200-7368-3 
• Propiedades de la materia , BH Flowers, E. Mendoza, Manchester Physics Series, J. Wiley and Sons, 1970, ISBN 978-0-471-26498-9