Fisicoquímica

La coalescencia es la posibilidad de que dos o más materiales se unan en un único cuerpo.

El término es comúnmente utilizado para explicar los fenómenos de soldadura, en particular de metales. Durante la denominadasoldadura por fusión, mediante acción térmica, se puede conseguir la coalescencia de granos parcialmente fundidos y formar un único sistema de cristales. El metal fundido permanece en contacto con los bordes de las superficies de unión parcialmente fundidas. A partir de los granos originales (volúmenes tridimensionales de la misma estructura cristalina, pero con distintas direcciones cristalográficas) se produce un crecimiento de solidificación epitaxial que permite la coalescencia cristalina de la unión y que las superficies de los materiales se unan.

En un valle tectónico (o mejor, depresión tectónica o graben), los ríos o torrentes que llegan al fondo del valle procedentes de lascordilleras laterales llevan una gran cantidad de sedimentos, por lo que forman extensos conos de deyección o abanicos aluviales que casi siempre se superponen unos con otros al no coincidir exactamente en el tiempo las épocas de crecida: el torrente que tenga la mayor crecida acarreará más sedimentos que pueden llegar a superponerse a los conos de deyección vecinos y cuando las lluvias más intensas coinciden en la cuenca del torrente vecino sucederá lo contrario. Ello se traduce, en las líneas de contacto entre los dos abanicos aluviales, en una serie de depósitos intercalados entre sí que, con el tiempo, da origen a una estratificación cruzada.

cociente de reacción Q_r es una función del grado de reacción: ξ, la proporción relativa de productos y reactivos presentes en la mezcla de reacción en un momento dado. La expresión del Cociente de Reacción (Q)de una reacción tiene la misma ecuación que la expresión de constante de equilibrio para dicha reacción. Sin embargo, el cociente de reacción se calcula utilizando las concentraciones o presiones en un instante dado, y no las concentraciones de equilibrio.

Para una mezcla química con una cierta concentración inicial de reactivos y productos, es útil conocer si la reacción evolucionará "hacia la derecha/en sentido de avance" (aumentando las concentraciones de los productos) o si evolucionará "hacia la izquierda/en sentido inverso" (aumentando las concentraciones de los reactivos). Considerando una expresión general de equilibrio como:

kA + mB …  nC + pD ...

donde A, B, C, y D son las especies químicas involucradas en esta reacción y k, m, n, y p son los coeficientes estequiométricos para la reacción, el cociente de reacción, Q_r, se define como:¹

donde { A_t } indica la actividad instantánea.² De la especie A en un cierto instante de tiempo (t) y así para las demás especies. El cociente de reacción se da en un instante particular de tiempo, no necesariamente en el momento en que se alcanza el equilibrio. El cociente de reacción está directamente relacionado con el principio de Le Châtelier. Para una reacción en equilibrio químico, la constante de equilibrio, K, puede definirse como:

donde {A_eq} es la actividad de la especie A cuando la mezcla está en el equilibrio, etc. Comparando los valores de Q_r y K, se puede determinar si la reacción se desplazará a la derecha, a la izquierda, o si la concentración seguirá siendo la misma (equilibrio).

• Si Q_r < K : la reacción se desplazará hacia la derecha (es decir, en la dirección de avance, y se formarán más productos)

• Si Q_r > K : La reacción se desplazará a la izquierda (es decir, en la dirección inversa, y así se formarán más reactivos)

• Si Q_r = K : la reacción está en el equilibrio

La relación del cociente de reacción Q_r con la derivada instantánea de la energía libre de Gibbs (ΔG) y la variación de la energía libre estándar de Gibbs (ΔG⁰) viene dada por:

ΔG = ΔG⁰ + RT ln Q_r

El cociente de reacción

Ya sabemos que en el equilibrio se han igualado las velocidades directa e inversa de una reacción. En esta situación las concentraciones de reactivos y de productos permanecen constantes. Si las concentraciones de las diferentes especies no cumplen la ley de acción de masas, el sistema no estará en equilibrio y, por tanto, se desplazará en un sentido o en otro. El cociente de reacción se define precisamente para saber qué sentido tomará un determinado sistema que no esté en equilibrio, de modo que si para esta reacción: Definimos el cociente de reacción así: De manera que si Q < Kc ello implicaría que hay menos concentración de productos que en el equilibrio, con lo cual la reacción evolucionará hacia la derecha. De modo análogo, si Q > Kc, podemos afirmar que la reacción evolucionará hacia la izquierda. Obviamente, si Q = Kc, significará que la reacción está en el equilibrio.  coeficiente de difusión es un valor que representa la facilidad con que cada soluto en particular se mueve en undisolvente determinado. Depende de tres factores: Tamaño y forma del soluto Viscosidad del solvente Temperatura (Difusividad térmica) De la naturaleza de la partícula que se difunde y del solvente donde difunde, siendo independiente de las concentraciones. Los coeficientes de difusión para líquidos son del orden de 10^-5(cm^2/s), para gases del orden de 10^-1(cm^2/s) y para sólidos 10^-9(cm^2/s). Este coeficiente aparece en la Ley de Fick, relacionada con la difusión de materia o energía. Ley de Fick La experiencia nos demuestra que cuando abrimos un frasco de perfume o de cualquier otro líquido volátil, podemos olerlo rápidamente en un recinto cerrado. Decimos que las moléculas del líquido después de evaporarse se difunden por el aire, distribuyéndose en todo el espacio circundante. Lo mismo ocurre si colocamos un terrón de azúcar en un vaso de agua, las moléculas de sacarosa se difunden por todo el agua. Estos y otros ejemplos nos muestran que para que tenga lugar el fenómeno de la difusión, la distribución espacial de moléculas no debe ser homogénea, debe existir una diferencia, o gradiente de concentración entre dos puntos del medio. Supongamos que su concentración varía con la posición al lo largo del eje X. Llamemos J a la densidad de corriente de partículas, es decir, al número efectivo de partículas que atraviesan en la unidad de tiempo un área unitaria perpendicular a la dirección en la que tiene lugar la difusión. La ley de Fick afirma que la densidad de corriente de partículas es proporcional al gradiente de concentración La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusión D y es característico tanto del soluto como del medio en el que se disuelve. La acumulación de partículas en la unidad de tiempo que se produce en el elemento de volumen S·dx es igual a la diferencia entre el flujo entrante JS, menos el flujo salienteJ’S, es decir La acumulación de partículas en la unidad de tiempo es Igualando ambas expresiones y utilizando la Ley de Fick se obtiene Ecuación diferencial en derivadas parciales que describe el fenómeno de la difusión . Si el coeficiente de difusión D no depende de la concentración Difusión unidimensional Vamos a considerar el problema de la difusión unidimensional de una masa M de soluto, situada en el origen de un medio unidimesional representado por el eje X. La solución de la ecuación diferencial nos da la concentración en los puntos x del medio en cada instante de tiempo t. La cual se puede comprobarse por simple sustitución en la ecuación diferencial En el programa interactivo, cada vez que se introduce el valor del tiempo, se traza en la ventana del applet la función n(x,t). Se puede observar que el área bajo la curva acampanada es la misma para todos las gráficas. Como puede comprobarse Para ello, se emplea el resultado de la integral Desplazamiento medio cuadrático Integramos por partes Debajo de cada curva, se traza un segmento cuya longitud es igual al doble de la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los desplazamientos de las partículas y mide la extensión efectiva de las partículas en el medio. Vamos a estudiar dos tipos de difusión Gas en aire, se supondrán gases ideales. En esta aproximación, el coeficiente de difusión se mantiene constante y no varía con la concentración. De un soluto sólido en un disolvente, el coeficiente de difusión es sensible a la concentración, aunque supondremos disoluciones diluidas. Para bajas concentraciones, el coeficiente de difusión se mantiene aproximadamente constante. En los dos ejemplos de difusión, de un gas en aire, o de un soluto en agua (líquido), se pone de manifiesto la relación entre el orden de magnitud del coeficiente de difusión y la escala de longitud o de tiempo en el que transcurren ambos fenómenos. Actividades Se elige el soluto y el disolvente.  Se presentan dos grupos: gases y vapores en aire en el que el exponente del coeficiente de difusión es -4, y soluciones acuosas en el que el exponente del coeficiente de difusión es -9. Gases y vapores en aire 1 Hidrógeno 0.64 10-4 2 Oxígeno 0.18 10-4 3 Alcohol 0.10 10-4 4 Benceno 0.08 10-4 Soluciones acuosas 5 Azúcar 0.36 10-9 6 Sal común 1.10 10-9 7 Alcohol 0.80 10-9 El instante t, en horas (Gases y vapores) o en días (Soluciones acuosas), en el que deseamos representar la distribución de concentraciones n(x, t) de cada punto x del medio unidimensional, en el control de edición o actuando en la barra de desplazamiento titulada Tiempo. Se pulsa en el botón titulado Gráfica. Se representa la concentración n(x, t) de cada punto x del medio unidimensional en el instante actual (en color rojo) y en el instante previamente introducido (en color azul). coeficiente osmótico φ es un valor que mide la desviación del comportamiento de un disolvente respecto de su comportamiento en condiciones ideales, según la ley de Raoult. El coeficiente osmótico se define en función de concentraciones en la escalera de molalidades, como y en función de las concentraciones en la escalera de las fracciones molares: dónde μA* es el potencial químico del disolvente puro y μA es el potencial químico del disolvente en la disolución, MA es la masa molar del disolvente, xA su fracción molar, R la constante de los gases y T la temperatura termodinámica.