Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Equilibrio de Fase


El equilibrio de fase es un concepto importante en termodinámica y química física, que describe el equilibrio entre diferentes fases de la materia en un sistema químico en equilibrio. Entender el equilibrio de fase ayuda a los científicos e ingenieros a predecir las condiciones en las que las sustancias existirán como sólidos, líquidos o gases, o en mezclas de estas fases. Tal comprensión es importante al diseñar procesos industriales, síntesis de materiales e incluso aplicaciones en ciencias ambientales.

Conceptos básicos de los estados de la materia

Antes de adentrarse en los equilibrios de fase, es importante comprender los estados básicos de la materia: sólido, líquido y gas. En los sólidos, las partículas están estrechamente empaquetadas en una estructura de celosía fija y ordenada, formando una forma y volumen definidos. Los líquidos tienen un volumen definido, pero pueden tomar la forma de su contenedor, ya que sus partículas no están en una posición fija pero están cerca unas de otras. Los gases, por otro lado, no tienen una forma ni volumen definidos, las partículas se mueven libremente y se mantienen en el contenedor en el que se encuentran.

Transición de fase

Las transiciones de fase se refieren a los cambios de un estado de la materia a otro, como de sólido a líquido (fusión), de líquido a gas (evaporación) o de sólido a gas (sublimación). También hay transiciones opuestas: de líquido a sólido (solidificación), de gas a líquido (condensación) y de gas a sólido (deposición).

Los cambios de fase ocurren debido a cambios en la temperatura o presión. Por ejemplo:

Hielo (sólido) → Agua (líquido) a 0°C (fusión)
Agua (líquido) → Vapor (gas) a 100°C (ebullición a 1 atm)

Diagrama de fase

Un diagrama de fase es una representación gráfica del equilibrio entre diferentes estados de la materia afectados por variables como la temperatura y la presión. En estos diagramas, líneas o curvas conocidas como límites de fase dividen regiones que representan diferentes fases e indican las condiciones de temperatura y presión donde las fases coexisten en equilibrio.

Sólido Líquido Gas Presión (atm) Temperatura (°C)

En la figura anterior, diferentes líneas representan límites de fase: la línea entre el sólido y el líquido es la línea de fusión, la línea entre el líquido y el gas es la línea de ebullición, y la línea entre el sólido y el gas es la línea de sublimación.

Punto triple y punto crítico

El punto triple es una posición única en el diagrama de fase donde las tres fases de una sustancia coexisten en equilibrio. Para el agua, este punto ocurre a una temperatura de 0.01°C y una presión de 0.00604 atm.

Punto Triple: T = 0.01°C, P = 0.00604 atm

El punto crítico representa la temperatura y presión más altas a las que una sustancia puede existir simultáneamente en estado líquido y gas. Por encima de este punto, la sustancia se convierte en un fluido supercrítico, combinando propiedades de un líquido y un gas.

Punto Crítico (agua): T ≈ 374°C, P ≈ 218 atm

Aplicaciones e implicaciones

Los equilibrios de fase tienen muchas aplicaciones en diversos campos científicos e industriales. Algunos ejemplos destacados incluyen:

  • Industria petroquímica: El diseño y la optimización de procesos de destilación para el refinamiento de petróleo crudo dependen en gran medida de los principios de equilibrio de fase.
  • Farmacéuticos: Comprender los procesos de solubilidad y cristalización ayuda a crear medicamentos con propiedades deseadas.
  • Ciencia ambiental: El conocimiento del equilibrio de fase es necesario para predecir el comportamiento de contaminantes en la atmósfera, especialmente para compuestos que se condensan o subliman bajo diferentes condiciones ambientales.

Regla de Gibbs para las fases

La regla de Gibbs proporciona una forma simple de determinar el número de grados de libertad, o variables independientes que pueden cambiar sin afectar el número de fases en un sistema. La regla se expresa como:

F = C - P + 2

Donde:

  • F es el número de grados de libertad.
  • C es el número de componentes.
  • P es el número de pasos presentes.

Por ejemplo, el agua en un sistema existe como sólido, líquido y gas en el punto triple:

F = 1 - 3 + 2 = 0

Esto significa que no hay grados de libertad disponibles; la temperatura y la presión del sistema están fijas.

Ejemplo del mundo real: Agua

Consideremos el sistema de agua como un ejemplo ubicuo de equilibrio de fase. El comportamiento de fase del agua está bien descrito y desempeña un papel importante en el clima de la Tierra, la biología e incluso la tecnología humana. Por ejemplo, cuando el agua se congela, se expande debido a su estructura cristalina única, afectando todo, desde los patrones climáticos hasta las células biológicas.

Además, comprender la presión de vapor del agua es importante para muchas aplicaciones. La presión de vapor del agua es la presión ejercida por el vapor de agua en equilibrio con la forma líquida o sólida. En el punto de ebullición, esta presión es igual a la presión atmosférica, provocando que el agua se convierta en vapor.

Los estados de equilibrio del agua pueden variar enormemente, desde condiciones normales hasta condiciones ambientales extremas:

  • En altitudes más altas: La presión atmosférica es más baja, lo que provoca que el agua hierva a una temperatura más baja; esto afecta los tiempos y procesos de cocción.
  • Condiciones del fondo del océano: Bajo presiones extremas, el agua puede permanecer líquida incluso a temperaturas muy por encima de su punto de ebullición normal.

Visualización conceptual con SVG

Para comprender mejor los equilibrios de fase, imaginemos un ejemplo donde un diagrama de fase simplificado ayuda a predecir estados específicos bajo diferentes condiciones.

Sólido Líquido Gas

En este diagrama conceptual, las regiones superpuestas ilustran situaciones donde múltiples fases pueden existir simultáneamente. Dichos diagramas son simplificaciones pero son poderosas herramientas para comprender y predecir el comportamiento de fase en diferentes contextos ambientales.

Conclusión

Los equilibrios de fase abarcan aspectos fascinantes de la química física, formando la base de muchos esfuerzos científicos y aplicaciones industriales. Ya sea considerando mezclas orgánicas complejas o sistemas binarios simples como el agua, comprender el comportamiento de fase a través de diagramas, ecuaciones y la regla de fase de Gibbs enriquece nuestra capacidad para predecir el comportamiento de las sustancias en diversos entornos.

Los conceptos discutidos aquí solo arañan la superficie e invitan a una mayor exploración en la profundidad de las transiciones de fase, fenómenos críticos y sistemas multicomponente esenciales para la innovación y solución de problemas en las disciplinas de química e ingeniería.


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