Componente (termodinámica)

Componente químicamente inerte de un sistema

En termodinámica , un componente es uno de los constituyentes químicamente independientes ^{[a] [1]} de un sistema . El número de componentes representa el número mínimo de especies químicas independientes necesarias para definir la composición de todas las fases del sistema. ^[2]

Calcular el número de componentes de un sistema es necesario cuando se aplica la regla de fases de Gibbs para determinar el número de grados de libertad de un sistema.

El número de componentes es igual al número de especies químicas distintas (constituyentes), menos el número de reacciones químicas entre ellas, menos el número de restricciones (como la neutralidad de carga o el equilibrio de cantidades molares).

Cálculo

Supongamos que un sistema químico tiene M elementos y N especies químicas (elementos o compuestos). Estos últimos son combinaciones de los primeros y cada especie A _i puede representarse como una suma de elementos:

${\displaystyle A_{i}=\sum _{j}a_{ij}E_{j},}$

donde a _ij son los números enteros que denotan el número de átomos del elemento E _j en la molécula A _i . Cada especie está determinada por un vector (una fila de esta matriz), pero las filas no son necesariamente linealmente independientes . Si el rango de la matriz es C , entonces hay C vectores linealmente independientes, y los NC vectores restantes se pueden obtener sumando múltiplos de esos vectores. Las especies químicas representadas por esos C vectores son componentes del sistema. ^[3]

Si, por ejemplo, las especies son C (en forma de grafito ), CO ₂ y CO, entonces

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0\\1&2\\1&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}C\\\\O\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C\\CO_{2}\\CO\end{bmatrix}}.}$

Dado que el CO puede expresarse como CO = (1/2)C + (1/2)CO ₂ , no es independiente y C y CO pueden elegirse como componentes del sistema. ^[4]

Hay dos formas en las que los vectores pueden ser dependientes. Una es que algunos pares de elementos siempre aparecen en la misma proporción en cada especie. Un ejemplo es una serie de polímeros que están compuestos de diferentes cantidades de unidades idénticas. El número de tales restricciones está dado por Z . Además, algunas combinaciones de elementos pueden estar prohibidas por la cinética química. Si el número de tales restricciones es R' , entonces

${\displaystyle C=M-Z+R'.}$

De manera equivalente, si R es el número de reacciones independientes que pueden tener lugar, entonces

${\displaystyle C=N-Z-R.}$

Las constantes están relacionadas por N - M = R + R' . ^[3]

Ejemplos

CaCO3- CaO-CO2sistema

Este es un ejemplo de un sistema con varias fases, que a temperaturas ordinarias son dos sólidos y un gas. Hay tres especies químicas (CaCO ₃ , CaO y CO ₂ ) y una reacción:

CaCO3 ⇌ CaO _{+ CO2} .

El número de componentes es entonces 3 - 1 = 2. ^[2]

Sistema Agua-Hidrógeno-Oxígeno

Las reacciones incluidas en el cálculo son sólo aquellas que realmente ocurren bajo las condiciones dadas, y no aquellas que podrían ocurrir bajo condiciones diferentes como una temperatura más alta o la presencia de un catalizador. Por ejemplo, la disociación del agua en sus elementos no ocurre a temperatura ordinaria, por lo que un sistema de agua, hidrógeno y oxígeno a 25 °C tiene 3 componentes independientes. ^{[2] [4]}

Solución acuosa de 4 tipos de sales.

Consideremos una solución acuosa que contiene cloruro de sodio (NaCl), cloruro de potasio (KCl), bromuro de sodio (NaBr) y bromuro de potasio (KBr), en equilibrio con sus respectivas fases sólidas. Si bien hay 6 elementos presentes (H, O, Na, K, Cl, Br), sus cantidades no son independientes debido a las siguientes restricciones:

• La estequiometría del agua: n(H) = 2n(O). Esta restricción implica que conocer la cantidad de uno determina la del otro.
• Balance de carga en la solución: n(Na) + n(K) = n(Cl) + n(Br). La restricción delgada implica que conocer la cantidad de 3 de las 4 especies iónicas (Na, K, Cl, Br) determina la cuarta.

En consecuencia, el número de constituyentes independientemente variables, y por tanto el número de componentes, es 4.

Referencias

1. En química, un constituyente es un tipo de especie presente en una fase.

1. "Capítulo 7 Mezclas simples". Universidad Central de Michigan . Consultado el 8 de febrero de 2024 .
2. Atkins, Peter; Paula, Julio de (10 de marzo de 2006). Química física (8.ª ed.). WH Freeman . pp. 175–176. ISBN. 9780716787594.OCLC 972057330  .
3. Zeggeren, F. van; Storey, SH (17 de febrero de 2011). El cálculo de los equilibrios químicos (1.ª edición del libro). Cambridge University Press. págs. 15-18. ISBN 9780521172257.OCLC 1161449041  .
4. Zhao, Muyu; Wang, Zichen; Xiao, Liangzhi (julio de 1992). "Determinación del número de componentes independientes mediante el método de Brinkley". Journal of Chemical Education . 69 (7): 539. Bibcode :1992JChEd..69..539Z. doi :10.1021/ed069p539.