Bases de datos termodinámicas para sustancias puras - Thermodynamic databases for pure substances

Las bases de datos termodinámicas contienen información sobre las propiedades termodinámicas de las sustancias, siendo las más importantes la entalpía , la entropía y la energía libre de Gibbs . Los valores numéricos de estas propiedades termodinámicas se recopilan como tablas o se calculan a partir de archivos de datos termodinámicos. Los datos se expresan como valores dependientes de la temperatura para un mol de sustancia a la presión estándar de 101,325 kPa (1 atm) o 100 kPa (1 bar). Desafortunadamente, se utilizan ambas definiciones para la condición estándar de presión .

Datos termodinámicos

Los datos termodinámicos generalmente se presentan como una tabla o gráfico de valores de función para un mol de una sustancia (o en el caso de las tablas de vapor , un kg). Un archivo de datos termodinámicos es un conjunto de parámetros de ecuación a partir de los cuales se pueden calcular los valores de los datos numéricos. Las tablas y los archivos de datos suelen presentarse a una presión estándar de 1 bar o 1 atm, pero en el caso del vapor y otros gases de importancia industrial, la presión puede incluirse como variable. Los valores de la función dependen del estado de agregación de la sustancia, que debe definirse para que el valor tenga algún significado. El estado de agregación para fines termodinámicos es el estado estándar , a veces llamado estado de referencia , y se define especificando ciertas condiciones. El estado estándar normal se define comúnmente como la forma física más estable de la sustancia a la temperatura especificada y una presión de 1 bar o 1 atm. Sin embargo, dado que cualquier condición anormal podría elegirse como un estado estándar, debe definirse en el contexto de uso. Un estado estándar físico es aquel que existe durante un tiempo suficiente para permitir la medición de sus propiedades. El estado estándar físico más común es aquél que es termodinámicamente estable (es decir, el normal). No tiene tendencia a transformarse en ningún otro estado físico. Si una sustancia puede existir pero no es termodinámicamente estable (por ejemplo, un líquido sobreenfriado), se denomina estado metaestable . A no - físico estado estándar es uno cuyas propiedades se obtienen por extrapolación a partir de un estado físico (por ejemplo, un sólido sobrecalentado por encima del punto de fusión normal, o un gas ideal a una condición donde el gas real no es ideal). Los líquidos y sólidos metaestables son importantes porque algunas sustancias pueden persistir y usarse en ese estado indefinidamente. Las funciones termodinámicas que se refieren a condiciones en el estado estándar normal se designan con un pequeño superíndice °. La relación entre ciertas propiedades físicas y termodinámicas puede describirse mediante una ecuación de estado .

Entalpía, contenido calorífico y capacidad calorífica

Es muy difícil medir la cantidad absoluta de cualquier cantidad termodinámica que involucre la energía interna (por ejemplo, entalpía ), ya que la energía interna de una sustancia puede tomar muchas formas, cada una de las cuales tiene su propia temperatura típica a la que comienza a ser importante en reacciones termodinámicas. Por tanto, es el cambio de estas funciones lo que más interesa. El cambio isobárico en entalpía H por encima de la temperatura de referencia común de 298,15 K (25 ° C) se llama el contenido de calor de alta temperatura , el calor sensible , o la entalpía de alta temperatura relativa , y llama a partir de ahora el contenido de calor . Diferentes bases de datos designan este término de diferentes maneras; por ejemplo H T - H 298 , H ° - H ° 298 , H ° T - H ° 298 o H ° - H ° (T r ), donde T r significa la temperatura de referencia (generalmente 298.15 K, pero abreviado en contenido de calor símbolos como 298). Todos estos términos significan el contenido de calor molar de una sustancia en su estado estándar normal por encima de una temperatura de referencia de 298,15 K. Los datos de los gases son para el gas ideal hipotético a la presión estándar designada. La unidad SI para la entalpía es J / mol, y es un número positivo por encima de la temperatura de referencia. El contenido de calor se ha medido y tabulado para prácticamente todas las sustancias conocidas, y comúnmente se expresa como una función polinómica de la temperatura. El contenido de calor de un gas ideal es independiente de la presión (o volumen), pero el contenido de calor de los gases reales varía con la presión, de ahí la necesidad de definir el estado del gas (real o ideal) y la presión. Tenga en cuenta que para algunas bases de datos termodinámicas, como para vapor, la temperatura de referencia es 273,15 K (0 ° C).

La capacidad calorífica C es la relación entre el calor añadido y el aumento de temperatura. Para una adición isobárica incremental de calor:

Por lo tanto, C p es la pendiente de una gráfica de temperatura frente al contenido de calor isobárico (o la derivada de una ecuación de temperatura / contenido de calor). Las unidades SI para la capacidad calorífica son J / (mol · K).

Contenido de calor molar de cuatro sustancias en sus estados designados por encima de 298,15 K y a 1 atm de presión. CaO (c) y Rh (c) se encuentran en su estado estándar normal de sólido cristalino a todas las temperaturas. S 2 (g) es un estado no físico por debajo de aproximadamente 882 K y NiO (g) es un estado no físico a todas las temperaturas.
Capacidad calorífica molar de cuatro sustancias en sus estados designados a 1 atm de presión. CaO (c) y Rh (c) se encuentran en su estado estándar normal de sólido cristalino a todas las temperaturas. S 2 (g) es un estado no físico por debajo de aproximadamente 882 K y NiO (g) es un estado no físico a todas las temperaturas.

Cambio de entalpía de las transiciones de fase.

Cuando se agrega calor a una sustancia en fase condensada , su temperatura aumenta hasta que se alcanza una temperatura de cambio de fase. Con una mayor adición de calor, la temperatura permanece constante mientras tiene lugar la transición de fase . La cantidad de sustancia que se transforma es función de la cantidad de calor agregada. Una vez que se completa la transición, agregar más calor aumenta la temperatura. En otras palabras, la entalpía de una sustancia cambia isotérmicamente a medida que sufre un cambio físico. El cambio de entalpía resultantes de una transición de fase se designa Δ H . Hay cuatro tipos de cambios de entalpía que resultan de una transición de fase. Esto es:

  • Entalpía de transformación . Esto se aplica a las transformaciones de una fase sólida a otra, como la transformación de α-Fe (ferrita bcc) a -Fe (austenita fcc). La transformación se denomina Δ H tr .
  • Entalpía de fusión o fusión . Esto se aplica a la transición de un sólido a un líquido y se denomina Δ H m .
  • Entalpía de vaporización . Esto se aplica a la transición de un líquido a un vapor y se denomina Δ H v .
  • Entalpía de sublimación . Esto se aplica a la transición de un sólido a un vapor y se denomina Δ H s .

C p es infinito a temperaturas de transición de fase porque la entalpía cambia isotérmicamente. A la temperatura de Curie , C p muestra una discontinuidad pronunciada mientras que la entalpía tiene un cambio de pendiente.

Los valores de Δ H generalmente se dan para la transición a la temperatura de estado estándar normal para los dos estados y, de ser así, se designan con un superíndice °. Δ H para una transición de fase es una función débil de la temperatura. En algunos textos, los calores de las transiciones de fase se denominan calores latentes (por ejemplo, calor latente de fusión ).

Entalpía molar de zinc por encima de 298,15 K y a 1 atm de presión, mostrando discontinuidades en los puntos de fusión y ebullición. El Δ H ° m del zinc es 7323 J / mol, y el Δ H ° v es 115 330 J / mol.

Cambio de entalpía para una reacción química.

Un cambio de entalpía ocurre durante una reacción química . Para el caso especial de la formación de un compuesto de los elementos , el cambio se designa Δ H forma y es una función débil de la temperatura. Los valores de Δ H forma se dan generalmente donde los elementos y compuesto están en sus estados estándar normal, y como tal se designan calores normales de formación, según lo señalado por un superíndice °. El Δ H ° forman discontinuidades se somete a temperaturas de transición de fase del elemento constituyente (s) y el compuesto. El cambio de entalpía para cualquier reacción estándar se denomina Δ H ° rx .

Calor molar estándar de formación de ZnBr 2 (c, l) a partir de los elementos, que muestra discontinuidades a las temperaturas de transición de los elementos y el compuesto.

Entropía y energía de Gibbs

La entropía de un sistema es otra cantidad termodinámica que no se mide fácilmente. Sin embargo, utilizando una combinación de técnicas teóricas y experimentales, la entropía se puede estimar con precisión. A bajas temperaturas, el modelo de Debye conduce al resultado de que la capacidad calorífica atómica C v para los sólidos debe ser proporcional a T 3 , y que para los sólidos cristalinos perfectos debe llegar a ser cero en el cero absoluto . Experimentalmente, la capacidad calorífica se mide a intervalos de temperatura hasta la temperatura más baja posible. Los valores de C p / T se grafican frente a T para todo el rango de temperaturas donde la sustancia existe en el mismo estado físico. Los datos se extrapolan desde la temperatura experimental más baja a 0 K utilizando el modelo de Debye. La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de una sustancia cristalina perfecta se vuelve cero a 0 K. Cuando S 0 es cero, el área bajo la curva de 0 K a cualquier temperatura da la entropía a esa temperatura. Aunque el modelo de Debye contiene C v en lugar de C p , la diferencia entre los dos a temperaturas cercanas a 0 K es tan pequeña que es insignificante.

El valor absoluto de entropía de una sustancia en su estado estándar a la temperatura de referencia de 298,15 K se designa S ° 298 . La entropía aumenta con la temperatura y es discontinua a las temperaturas de transición de fase. El cambio de entropía (Δ S °) a la temperatura de transición de fase normal es igual al calor de transición dividido por la temperatura de transición. Las unidades SI para la entropía son J / (mol · K).

Entropía absoluta del estroncio . La línea continua se refiere a la entropía del estroncio en su estado estándar normal a una presión de 1 atm. La línea discontinua se refiere a la entropía del vapor de estroncio en un estado no físico.

El cambio de entropía estándar para la formación de un compuesto de los elementos, o para cualquier reacción estándar se designa Δ S ° forma o Δ S ° rx . El cambio de entropía se obtiene sumando las entropías absolutas de los productos menos la suma de las entropías absolutas de los reactivos. Al igual que la entalpía, la energía de Gibbs G no tiene valor intrínseco, por lo que lo que interesa es el cambio en G. Además, no hay cambios en G en las transiciones de fase entre sustancias en sus estados estándar. Por lo tanto, el principal de la aplicación funcional de la energía de Gibbs de una base de datos termodinámico es su cambio en el valor durante la formación de un compuesto de los elementos de estado estándar, o para cualquier reacción química estándar (Δ G ° forma o Δ G ° rx ). Las unidades SI de energía de Gibbs son las mismas que para la entalpía (J / mol).

Cambio de calor estándar y energía de Gibbs para la reacción:
El Δ H ° rx muestra discontinuidades en los puntos de fusión de Pb (600,65 K) y PbCl 2 (771 K). Δ G ° rx no es discontinuo a estas temperaturas de transición de fase, pero sufre un cambio en la pendiente, que es casi imperceptible en el gráfico.

Funciones adicionales

Los compiladores de bases de datos termoquímicas pueden contener algunas funciones termodinámicas adicionales. Por ejemplo, la entalpía absoluta de una sustancia H ( T ) se define en términos de su entalpía de formación y su contenido de calor de la siguiente manera:

Para un elemento, H ( T ) y [ H T - H 298 ] son idénticos a todas las temperaturas porque Δ H ° forma es cero, y por supuesto a 298,15 K, H ( T ) = 0. Para un compuesto:

De manera similar, la energía de Gibbs absoluta G ( T ) se define por la entalpía y la entropía absolutas de una sustancia:

Para un compuesto:

Algunas tablas también pueden contener la función de energía de Gibbs ( H ° 298.15 - G ° T ) / T, que se define en términos de entropía y contenido de calor.

La función de energía de Gibbs tiene las mismas unidades que la entropía, pero a diferencia de la entropía, no presenta discontinuidad a temperaturas normales de transición de fase.

A menudo se enumera el log 10 de la constante de equilibrio K eq , que se calcula a partir de la ecuación termodinámica que la define.

Bases de datos termodinámicas

Una base de datos termodinámica consta de conjuntos de valores evaluados críticamente para las principales funciones termodinámicas. Originalmente, los datos se presentaban como tablas impresas a 1 atm y a ciertas temperaturas, generalmente a intervalos de 100 ° y a temperaturas de transición de fase. Algunas compilaciones incluían ecuaciones polinómicas que podrían usarse para reproducir los valores tabulares. Más recientemente, se utilizan bases de datos computarizadas que consisten en los parámetros y subrutinas de la ecuación para calcular valores específicos a cualquier temperatura y preparar tablas para imprimir. Las bases de datos computarizadas a menudo incluyen subrutinas para calcular las propiedades de reacción y mostrar los datos como gráficos.

Los datos termodinámicos provienen de muchos tipos de experimentos, como calorimetría , equilibrios de fase , espectroscopía , mediciones de composición de mezclas de equilibrio químico y mediciones de fem de reacciones reversibles. Una base de datos adecuada toma toda la información disponible sobre los elementos y compuestos en la base de datos y asegura que los resultados presentados sean coherentes internamente . La consistencia interna requiere que todos los valores de las funciones termodinámicas se calculen correctamente mediante la aplicación de las ecuaciones termodinámicas apropiadas. Por ejemplo, los valores de la energía de Gibbs obtenidos de los métodos de fem de equilibrio de alta temperatura deben ser idénticos a los calculados a partir de las mediciones calorimétricas de los valores de entalpía y entropía. El proveedor de la base de datos debe utilizar procedimientos de análisis de datos reconocidos para resolver las diferencias entre los datos obtenidos mediante diferentes tipos de experimentos.

Todos los datos termodinámicos son una función no lineal de temperatura (y presión), pero no existe un formato de ecuación universal para expresar las diversas funciones. Aquí describimos una ecuación polinomial de uso común para expresar la dependencia de la temperatura del contenido de calor. Una ecuación común de seis términos para el contenido de calor isobárico es:

Independientemente del formato de ecuación, el calor de formación de un compuesto a cualquier temperatura es Δ H ° forma a 298,15 K, más la suma de los parámetros de contenido de calor de los productos menos la suma de los parámetros de contenido de calor de los reactivos. La ecuación C p se obtiene tomando la derivada de la ecuación del contenido de calor.

La ecuación de entropía se obtiene integrando la ecuación C p / T:

F' es una constante de integración obtenido por la inserción de S ° a cualquier temperatura T . La energía de Gibbs de formación de un compuesto se obtiene de la ecuación definitoria Δ G ° forma = Δ H ° forma - T (Δ S ° forma ), y se expresa como

Para la mayoría de las sustancias, Δ G ° forma se desvía sólo ligeramente de la linealidad con la temperatura, por lo que en un lapso de temperatura a corto, la ecuación de siete término puede ser sustituido por una ecuación de tres términos, cuyos valores de parámetros se obtienen por regresión de los valores tabulares.

Dependiendo de la precisión de los datos y la longitud del intervalo de temperatura, la ecuación del contenido de calor puede requerir más o menos términos. En un intervalo de temperatura muy largo, se pueden usar dos ecuaciones en lugar de una. No es aconsejable extrapolar las ecuaciones para obtener valores fuera del rango de datos experimentales utilizados para derivar los parámetros de la ecuación.

Archivos de datos termodinámicos

Los parámetros de la ecuación y toda la otra información necesaria para calcular los valores de las funciones termodinámicas importantes se almacenan en un archivo de datos termodinámicos. Los valores están organizados en un formato que los hace legibles por un programa de cálculo termodinámico o para su uso en una hoja de cálculo. Por ejemplo, la base de datos termodinámica basada en Excel FREED [1] crea el siguiente tipo de archivo de datos, aquí para una presión estándar de 1 atm.

Archivo de datos termodinámicos para MgCl 2 (c, l, g) de FREED. Algunos valores tienen cifras significativas truncadas para fines de visualización. La explicación de los valores se muestra a continuación.
  • Fila 1. Masa molar de la especie, densidad a 298,15 K, Δ H ° de 298,15 , S ° 298,15 . y el límite de temperatura superior para el archivo.
  • Fila 2. Número de ecuaciones de C p requeridas. Aquí, tres por tres fases de especies.
  • Fila 3. Valores de los cinco parámetros para la primera ecuación C p ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 4. Valores de los cinco parámetros para la segunda ecuación C p ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 5. Valores de los cinco parámetros para la tercera ecuación C p ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 6. Número de ecuaciones H T - H 298 requeridas.
  • Fila 7. Valores de los seis parámetros para la primera ecuación H T - H 298 ; límite de temperatura para la ecuación y Δ H ° trans para el primer cambio de fase.
  • Fila 8. Valores de los seis parámetros para la segunda ecuación H T - H 298 ; límite de temperatura para la ecuación y Δ H ° trans para el segundo cambio de fase.
  • Fila 9. Valores de los seis parámetros para la tercera ecuación H T - H 298 ; límite de temperatura para la ecuación y Δ H ° trans para el tercer cambio de fase.
  • Fila 10. Número de ecuaciones en forma Δ H ° requeridas. Aquí cinco; tres para fases de especies y dos porque uno de los elementos tiene un cambio de fase.
  • Fila 11. Valores de los seis parámetros para la primera ecuación en forma de Δ H ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 12. Valores de los seis parámetros para la segunda ecuación en forma de Δ H ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 13. Valores de los seis parámetros para la tercera ecuación en forma de Δ H ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 14. Valores de los seis parámetros para la cuarta ecuación en forma de Δ H ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 15. Valores de los seis parámetros para la quinta ecuación en forma de Δ H ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 16. Número de ecuaciones en forma Δ G ° requeridas.
  • Fila 17. Valores de los siete parámetros para la primera ecuación en forma de Δ G ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 18. Valores de los siete parámetros para la segunda ecuación en forma de Δ G ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 19. Valores de los siete parámetros para la tercera ecuación en forma de Δ G ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 20. Valores de los siete parámetros para la cuarta ecuación en forma de Δ G ° ; límite de temperatura para la ecuación.
  • Fila 21. Valores de los siete parámetros para la quinta ecuación en forma de Δ G ° ; límite de temperatura para la ecuación.

La mayoría de las bases de datos computarizadas crearán una tabla de valores termodinámicos usando los valores del archivo de datos. Para MgCl 2 (c, l, g) a 1 atm de presión:

Tabla de propiedades termodinámicas para MgCl 2 (c, l, g), del archivo de datos FREED. Algunos valores tienen cifras significativas truncadas para fines de visualización.

El formato de la tabla es una forma común de mostrar datos termodinámicos. La tabla FREED proporciona información adicional en las filas superiores, como la composición de la masa y la cantidad y las temperaturas de transición de los elementos constituyentes. Las temperaturas de transición para los elementos constituyentes tienen rayas ------- en la primera columna de una fila en blanco, como a 922 K, el punto de fusión del Mg. Las temperaturas de transición de la sustancia tienen dos filas en blanco con guiones y una fila central con la transición definida y el cambio de entalpía, como el punto de fusión del MgCl 2 a 980 K. Las ecuaciones del archivo de datos están en la parte inferior de la tabla, y el toda la tabla está en una hoja de cálculo de Excel. Esto es particularmente útil cuando los datos están destinados a realizar cálculos específicos.

Ver también

Referencias

  • Barin, Ihsan (2004). Datos termoquímicos de sustancias puras . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30993-4.
  • Chase, MW (1998). NIST - Tablas termoquímicas JANAF (Cuarta ed.). Revista de datos de referencia físicos y químicos. ISBN 1-56396-831-2.
  • Cox, JD; Wagman, Donald D .; Medvedev, Vadim A. (1989). Valores clave de CODATA para termodinámica . John Benjamins Publishing Co. ISBN 0-89116-758-7.
  • Hummel, Wolfgang; Urs Berner; Enzo Curti; FJ Pearson; Tres Thoenen (2002). Base de datos termodinámicos químicos Nagra / Psi . Editores universales. ISBN 1-58112-620-4.
  • Lide, David R .; Henry V. Kehiaian (1994). Manual CRC de datos termofísicos y termoquímicos (libro y disco ed.). Boca Ratón: CRC Press. ISBN 0-8493-0197-1.
  • Pankratz, LB (1982). "Propiedades termodinámicas de elementos y óxidos". Boletín de la Oficina de Minas de EE. UU . 672 .
  • Pankratz, LB (1984). "Propiedades termodinámicas de los haluros". Boletín de la Oficina de Minas de EE. UU . 674 .
  • Pankratz, LB; AD Mah; SW Watson (1987). "Propiedades termodinámicas de los sulfuros". Boletín de la Oficina de Minas de EE. UU . 689 .
  • Pankratz, LB (1994). "Propiedades termodinámicas de carburos, nitruros y otras sustancias seleccionadas". Boletín de la Oficina de Minas de EE. UU . 696 .
  • Robie, Richard A. y Bruce S. Hemingway (1995). Propiedades termodinámicas de los minerales. . . a temperaturas más altas , Boletín del Servicio Geológico de EE. UU. 2131.
  • Pian, Carl L. (2007). Manual de pian de propiedades termodinámicas para hidrocarburos y productos químicos , Gulf Publishing Company. ISBN  1-933762-07-1 .
  • Gurvich, LV, Veitz, IV y col. (1989) Propiedades termodinámicas de sustancias individuales. Cuarta edición, Hemisphere Pub Co. NY, L., Vol.1 en 2 partes.

enlaces externos