Dubbio passaggio di stato

[xeletro91]

salve a tutti!

Ho un piccolo dubbio che riguarda un generico passaggio di stato.

L'equilibrio chimico è un tipo di equilibrio che si instaura in una reazione chimica quando il potenziale chimico dei reagenti è uguale a quello dei prodotti.

Inoltre un transizione di fase (ad es. liquido-vapore) in cui è presente SOLO un componente (ad es. acqua) può giungere ad un equilibrio dinamico (sotto opportune condizioni di T e P) tra liquido e vapore. Questo equilibrio si instaura quando il potenziale chimico del liquido è uguale a quello del vapore (il potenziale chimico dipende da T e P)
Ma in questo caso però l'equilibrio chimico non c'entra nulla, visto che non si ha a che fare con una reazione chimica ma con un cambiamento di stato della materia. Quindi semmai si parla di equilibrio fisico.

Quindi in questo caso cosa c'entra il potenziale chimico?

Sulle mie dispense ho che l'equilibrio chimico in un sistema eterogeneo si instaura anche quando il flusso del componente i-esimo da una fase all'altra è nullo, quindi quello che mi viene da pensare è che un disequilibrio chimico lo si può avere anche non in presenza di una reazione chimica. Però non capisco se questa cosa valga anche in passaggio di stato all'equilibrio in cui sia presente un solo componente.
Aiutatemi vi prego! grazie mille a tutti!

[brendolaccia]

Probabilmente mi sbaglio ma sembra tu stia confondendo l'equilibrio liquido-vapore con l'equilibrio di una reazione chimica.

Consideriamo una reazione chimica. Se vogliamo che essa sia all'equilibrio allora dobbiamo imporre l'equilibrio ad ogni sua specie ed ad ogni sua fase. Se ho tre specie mescolate fra loro, allora posso dire che c'è equilibrio quando il potenziale chimico di ogni specie è uguale per ogni fase presente. Otterrò quindi tre uguaglianze liquido-vapore, una per ogni fase. In questo modo sono sicuro che la reazione è giunta al termine ovvero è arrivata all'equilibrio. Ho quindi imposto l'equilibrio liquido vapore per ogni specie e ciò mi garantisce che anche la reazione chimica sia all'equilibrio poiché le uguaglianze fra potenziali chimici deriva direttamente dal fatto che l'energia libera di Gibbs è nulla per ogni reazione all'equilibrio.

Potrei avere equilibrio liquido vapore della sola specie A, ma non sarebbe sufficiente a garantirmi che la reazione chimica che coinvolge la specia A, B e C sia all'equilibrio.

[xeletro91]

Ciao ti ringrazio per la risposta.

Forse ho formulato male la domanda, quindi cercherò di essere più chiaro. Un sistema termodinamico è all'equilibrio (termodinamico) se contemporaneamente si trova in equilibrio termico, meccanico e chimico.
Suppongo di avere a che fare con una reazione chimica (ovvero una trasformazione chimica) del tipo:

A<->B (una mole di A si trasforma in una mole di B e viceversa). Supponendo che essa avvenga a T e P costanti (condizioni di laboratorio), essa giungerà all'equilibrio CHIMICO (che presuppone l'equilibrio termodinamico) quando i potenziali chimici delle due specie (reagente e prodotto) saranno uguali ovvero quando muA=muB cioè quando la composizione chimica del sistema sarà costante.

Considero ora una trasformazione fisica quale ad esempio il passaggio di stato liquido vapore dell'acqua (sostanza pura) a pressione costante. Se considero la trasformazione avente luogo in un recipiente chiuso, ad un certo punto liquido e vapore (per due valori precisi di T e P come suggerisce il diagramma di stato dell'acqua) giungeranno in equilibrio (dinamico) tra loro. Definendo con L la fase liquida e V fase vapore si giungerà all'equilibrio quando:
Tl=Tv (equilibrio termico)
Pl =Pv (equilibrio meccanico)
mul(T,P)=muv(T,P) (equilibrio ...??)
Quello che mi chiedo è dato che sto considerando una trasformazione fisica e non chimica (per la quale non si ha variazione di composizione chimica) l'eguaglianza dei due potenziali chimici suggerisce ugualmente l'equilibrio chimico? Ho letto su alcune dispense che in questo caso per equilibrio chimico si intende equilibrio rispetto al flusso netto di materia, ovvero dato che giunge all'equilibrio dinamico un numero uguale di molecole passano nell'unità di tempo dallo stato liquido allo stato vapore, per cui il flusso netto è nullo però vorrei una conferma. Grazie mille!

[brendolaccia]

Non penso tu possa distinguere fisica da chimica perché un equilibrio è diretta conseguenza dell'altro.
Tu confondi l'equilibrio chimico fra due sostanze con l'equilibrio fra due diverse fasi.

Faccio qualche esempio:
-in un contenitore chiuso ho dell'acqua. Lo lascio a temperatura ambiente per un po' di tempo finché non raggiunge l'equilibrio. Potremmo dire che il potenziale chimico della fase liquida é uguale al potenziale chimico della fase vapore. Questo perché si ha equilibrio liquido vapore. Questo è un sistema bifase monocomponente
-in un contenitore chiuso ho due diverse sostanze in fase liquida. Esse interagiranno chimicamente e raggiungeranno l'equilibrio quando il potenziale chimco della sostanza A è uguale al potenziale chimica della sostanza B. Questo è un sistema bicomponente monofase
-in un contenitore ho due diverse sostanze non esclusivamente in fase liquida. Questo vorrà dire che avrò un po' di sostanza A nella fase liquida ed un po' nella fase vapore; stessa cosa per la sostanza B. Avro l'equilibrio del sistema quando i potenziali chimici hanno un comportamento combinazione dei casi precedenti. Questo è un sistema bicomponente bifase.

Quindi l'equilibrio è equilibrio, sia che parli di sistemi monocomponenti, bicomponenti, monofase, bifase ecc

Si parla di uguaglianza di poteniali chimici perché essi sono in diretta corrispondenza con l'energia libera di Gibbs che ci dice quando un sistema è in equilibrio, senza distinguere fra fisico e chimico perché uno dipende dall'altro e non avrebbe senso considerarli separatamente.

Scusa per gli eventuali errori di grammatica ma scrivo da tablet

[xeletro91]

Si parla di uguaglianza di poteniali chimici perché essi sono in diretta corrispondenza con l'energia libera di Gibbs che ci dice quando un sistema è in equilibrio, senza distinguere fra fisico e chimico perché uno dipende dall'altro e non avrebbe senso considerarli separatamente.

Tu mi stai dicendo quindi che l'equilibrio fisico è conseguenza dell'equilibrio chimico e viceversa. Il nocciolo della questione è che non ho capito bene cosa si intende per equilibrio chimico. Mi spiego.
Se considero un passaggio di stato da liquido a vapore, in cui è presente un solo componente, è chiaro che esso si trovi in equilibrio chimico per tutta la durata della transizione di fase perché la composizione rimane costante. cioè se considero l'equilibrio chimico solo come un equilibrio che riguarda l'alterazione della composizione del componente, il sistema si troverà in equilibrio chimico per tutta la durata della trasformazione pur non essendo in equilibrio fisico. Se per equilibrio chimico intendo pure equilibrio rispetto al flusso di materia che attraversa la superficie di separazione tra le due fasi, allora il discorso che fai tu sull'equilibrio fisico che implica quello chimico mi torna, perché una volta che il flusso netto di materia si annulla, significa che l'evaporazione si blocca e si instaura un equilibrio dinamico chimico-fisico tra la fase liquida e la fase vapore.
Quindi per equilibrio chimico penso che si intenda che la composizione di qualunque specie chimica nel sistema deve rimanere costante e che si deve annullare qualsiasi flusso netto di materia tra una fase all'altra e all'interno della fase stessa (diffusione, transizione di fase ecc...). Se una delle due condizioni non è rispettata il sistema non si trova in equilibrio chimico. Chiaramente tutto questo discorso è riassunto nell'uguaglianza dei potenziali chimici delle due fasi.

[brendolaccia]

Ti sbagli. In un processo per esempio di evaporazione di un sistema chiuso mono componente non puoi avere equilibrio, proprio perché il sistema sta evaporando e sarebbe assurdo dire che mentre un sistema evapora è anche all'equilibrio.
Altra cosa che forse non hai ben chiara. Un sistema mono componente bifase non è in equilibrio quando il flusso di massa nell'interfaccia è zero, bensì quando la quantità di massa che evapora è pari alla quantità di massa che condensa, facendo rimanere complessivamente costante la citazione di vapore e quella di liquido. All'equilibrio quindi tu vedi una certa quantità di vapore ed una certa quantità di liquido, ma ciò non vuole assolutamente dire che non si ha evaporazione e condensazione, ma che questi due processi avvengono in maniera uguale ed opposta tale da annullarsi; ma è un errore molto grave dire che non si ha flusso di massa all'interfaccia.

Quindi parlare di equilibrio chimico o fisico non ha molto senso secondo me perché uno dipende dall'altro. Tu parli di equilibrio chimico quando due componenti diversi messi a contatto interagiscono fra loro chimicamente finché il tutto non si ferma. Poi dici invece che c'è equilibrio fisico quando hai equilibrio fra fase liquida e vapore. Ma anche il liquido ed il vapore stesso dovranno singolarmente essere in equilibrio fra loro; ed è per questo che secondo me non ha senso parlare di equilibrio chimico o fisico perché l'equilibrio è equilibrio.

Ti ho chiarito le idee?

[xeletro91]

Stiamo parlando della stessa cosa ma non riusciamo ad intenderci. Quando affermo che all'equilibrio tra liquido e vapore il flusso NETTO di materia si annulla all'interfaccia, mi riferisco al flusso risultante di materia che attraversa la superficie ovvero la somma delle molecole che passano dalla fase liquida alla fase vapore e le molecole che dalla fase vapore tornano alla fase liquida. Chiaramente i due flussi sono uguali e contrari e quindi il flusso netto è nullo quando il sistema (chiuso naturalmente) giunge all'equilibrio (in questo caso dinamico). Chiaramente prima che giunge all'equilibrio parte dell'acqua deve evaporare (tenendo la temperatura fissa a 100 °C) cioè deve passare alla fase vapore. Questo intendevo.

Per quanto riguarda la tua affermazione sugli equilibri fisici e chimici mi trovo d'accordo con te, a patto che però per equilibrio chimico si intenda anche equilibrio rispetto al flusso (netto) di materia.

[brendolaccia]

Sì ora siamo d'accordo. Ti ho aiutato a chiarirti?

[xeletro91]

Sì ora siamo d'accordo. Ti ho aiutato a chiarirti?

Si si, ti ringrazio molto non solo per la mano ma anche per il tempo speso(scusa il ritardo non mi ero accorto)

[brendolaccia]

Si si, ti ringrazio molto non solo per la mano ma anche per il tempo speso(scusa il ritardo non mi ero accorto)

Non preoccuparti è un piacere. Anche io ho avuto parecchi problemi di comprensione di questi argomenti :)