En química , el estado estándar de un material ( sustancia pura , mezcla o solución ) es un punto de referencia utilizado para calcular sus propiedades en diferentes condiciones. Se utiliza un signo de grado (°) o un símbolo de Plimsoll en superíndice ( ⦵ ) para designar una cantidad termodinámica en el estado estándar, como el cambio de entalpía (Δ H °), el cambio de entropía (Δ S °) o el cambio de Gibbs. energía libre (Δ G °). [1] [2] El símbolo de grado se ha generalizado, aunque las normas recomiendan el Plimsoll; consulte la discusión sobre la composición tipográfica a continuación.
En principio, la elección del estado estándar es arbitraria, aunque la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) recomienda un conjunto convencional de estados estándar para uso general. [3] El estado estándar no debe confundirse con la temperatura y presión estándar (STP) para gases, [4] ni con las soluciones estándar utilizadas en química analítica . [5] STP se usa comúnmente para cálculos que involucran gases que se aproximan a un gas ideal , mientras que las condiciones de estado estándar se usan para cálculos termodinámicos . [6]
Para un material o sustancia determinada, el estado estándar es el estado de referencia para las propiedades del estado termodinámico del material, como la entalpía , la entropía , la energía libre de Gibbs y muchos otros estándares de materiales. El cambio de entalpía estándar de formación de un elemento en su estado estándar es cero, y esta convención permite calcular y tabular una amplia gama de otras cantidades termodinámicas. El estado estándar de una sustancia no tiene por qué existir en la naturaleza: por ejemplo, es posible calcular valores para el vapor a 298,15 K y10 5 Pa , aunque el vapor no existe (como gas) en estas condiciones. La ventaja de esta práctica es que las tablas de propiedades termodinámicas preparadas de esta manera son autoconsistentes.
Muchos estados estándar son estados no físicos, a menudo denominados "estados hipotéticos". Sin embargo, sus propiedades termodinámicas están bien definidas, generalmente mediante una extrapolación de alguna condición limitante, como presión cero o concentración cero, a una condición específica (generalmente concentración o presión unitaria) utilizando una función de extrapolación ideal, como solución ideal o solución ideal. comportamiento del gas, o mediante mediciones empíricas. Estrictamente hablando, la temperatura no forma parte de la definición de estado estándar. Sin embargo, la mayoría de las tablas de cantidades termodinámicas se compilan a temperaturas específicas, más comúnmente 298,15 K (25,00 °C; 77,00 °F) o, algo menos común, 273,15 K (0,00 °C; 32,00 °F). [6]
El estado estándar de un gas es el estado hipotético que tendría como sustancia pura obedeciendo la ecuación del gas ideal a presión estándar. La IUPAC recomienda utilizar una presión estándar p ⦵ o P° igual a10 5 Pa , o 1 bar. [7] [8] Ningún gas real tiene un comportamiento perfectamente ideal, pero esta definición del estado estándar permite realizar correcciones por no idealidad de manera consistente para todos los diferentes gases.
El estado estándar para líquidos y sólidos es simplemente el estado de la sustancia pura sometida a una presión total de10 5 Pa (o 1 bar ). Para la mayoría de los elementos, el punto de referencia de Δ f H ⦵ = 0 se define para el alótropo más estable del elemento, como el grafito en el caso del carbono , y la fase β ( estaño blanco ) en el caso del estaño . Una excepción es el fósforo blanco , el alótropo más común del fósforo, que se define como el estado estándar a pesar de que sólo es metaestable . [9] Esto se debe a que el alótropo negro termodinámicamente estable es difícil de preparar puro. [10]
Para una sustancia en solución (soluto), el estado estándar C° generalmente se elige como el estado hipotético que tendría en la molalidad o concentración de cantidad del estado estándar pero exhibiendo un comportamiento de dilución infinita (donde no hay interacciones soluto-soluto, sino soluto). -hay interacciones con disolventes). [8] La razón de esta definición inusual es que el comportamiento de un soluto en el límite de dilución infinita se describe mediante ecuaciones que son muy similares a las ecuaciones de los gases ideales. Por lo tanto, tomar el comportamiento de dilución infinita como el estado estándar permite hacer correcciones por no idealidad de manera consistente para todos los diferentes solutos. La molalidad del estado estándar es1 mol/kg , mientras que la molaridad del estado estándar es1 mol/ dm3 .
Otras opciones son posibles. Por ejemplo, el uso de una concentración en estado estándar de 10 −7 mol/L para el ion hidrógeno en una solución acuosa real es común en el campo de la bioquímica . [11] [12] En otras áreas de aplicación, como la electroquímica , el estado estándar a veces se elige como el estado real de la solución real en una concentración estándar (a menudo1 mol/dm3 ) . [13] Los coeficientes de actividad no se transferirán de una convención a otra, por lo que es muy importante saber y comprender qué convenciones se utilizaron en la construcción de tablas de propiedades termodinámicas estándar antes de usarlas para describir soluciones.
Para las moléculas adsorbidas en superficies se han propuesto varias convenciones basadas en estados estándar hipotéticos. Para la adsorción que ocurre en sitios específicos ( isoterma de adsorción de Langmuir ), el estado estándar más común es una cobertura relativa de θ° = 0,5 , ya que esta elección da como resultado una cancelación del término de entropía configuracional y también es consistente con no incluir el estado estándar. (que es un error común). [14] La ventaja de usar θ° = 0,5 es que el término configuracional se cancela y la entropía extraída de los análisis termodinámicos refleja los cambios intramoleculares entre la fase masiva (como gas o líquido) y el estado adsorbido. Puede resultar beneficioso tabular valores basados tanto en el estado estándar basado en la cobertura relativa como en una columna adicional el estado estándar basado en la cobertura absoluta. Para los estados de gas 2D, no surge la complicación de los estados discretos y se ha propuesto un estado estándar base de densidad absoluta, similar para la fase de gas 3D. [14]
En el momento del desarrollo en el siglo XIX, se adoptó el símbolo de Plimsoll en superíndice ( ⦵ ) para indicar la naturaleza distinta de cero del estado estándar. [15] La IUPAC recomienda en la tercera edición de Cantidades, Unidades y Símbolos en Química Física un símbolo que parece ser un signo de grado (°) como sustituto de la marca plimsoll. En la misma publicación, la marca de zapatillas parece construirse combinando un trazo horizontal con un signo de grado. [16] En la literatura se utiliza una variedad de símbolos similares: una letra minúscula trazada O ( o ), [17] un cero en superíndice ( 0 ) [18] o un círculo con una barra horizontal donde la barra se extiende más allá de los límites del círculo ( U+ 29B5 ⦵ CÍRCULO CON BARRA HORIZONTAL ) o está encerrado por el círculo, dividiendo el círculo por la mitad ( U+2296 ⊖ CIRCULADO MENOS ). [19] [20] En comparación con el símbolo plimsoll utilizado en el texto del siglo XIX, el glifo U+29B5 es demasiado grande y su línea horizontal no se extiende lo suficiente más allá de los límites del círculo. Se confunde fácilmente con la letra griega theta (Θ mayúscula o ϴ, θ minúscula). A partir de 2024, se ha propuesto para Unicode el carácter U+1CEF0 CÍRCULO BLANCO PEQUEÑO MEDIANO CON BARRA HORIZONTAL . Es un símbolo Unicode de tamaño regular destinado a usarse en forma de superíndice para indicar el estado estándar, reemplazando a U+29B5 para este propósito. [21] [22]
Ian M. Mills, que participó en la producción de una revisión de Cantidades, unidades y símbolos en química física , sugirió que un superíndice cero ( ) es una alternativa igual para indicar "estado estándar", aunque en el mismo artículo. [20] El símbolo del grado se ha utilizado ampliamente en los libros de texto de química física, inorgánica y general en los últimos años. [23] [24] [25] Cuando se lee en voz alta, el símbolo se pronuncia "nada".
Aunque el fósforo blanco no es el alótropo termodinámicamente estable, las formas roja y negra son difíciles de preparar en forma pura, lo que las hace menos adecuadas para mediciones termodinámicas cuantitativas.
Incluiremos una "o" en superíndice en el símbolo de cambio de entalpía para designar el estado estándar.
El símbolo de un estado estándar es un superíndice de "círculo".
