QUÍMICA FÍSICA

amagat es una unidad práctica de densidad numérica . Aunque puede aplicarse a cualquier sustancia en cualquier condición, se define como el número de moléculas de gas ideal por unidad de volumen a 1  atm (= 101.325  kPa ) y 0  ° C (= 273.15 K). ^[1] Lleva el nombre de Émile Amagat , quien también tiene el nombre de la ley de Amagat . La forma abreviada de amagat es "amg". La abreviatura "Am" también se ha utilizado. ^[2]

Definición [ editar ]

Densidad numérica en amg, denotado aquí por $${\ displaystyle \ eta}, Se define como

$${\ displaystyle \ eta = {\ frac {n} {n_ {0}}}},

donde n ₀ = 1 amg = 2.686 7805 × 10 ²⁵  m ⁻³ = 44.615 036 mol / m ³ es la constante de Loschmidt .

En la práctica, la densidad numérica de un gas ideal a la presión P y la temperatura T se puede calcular como ^[3]

$${\ displaystyle \ eta = \ left ({\ frac {p} {p_ {0}}} \ right) \ left ({\ frac {T_ {0}} {T}} \ right) \, {\ rm { amg}}},

donde T ₀  = 273.15  K y p ₀  = 101.325  kPa .

Ejemplo [ editar ]

La densidad numérica de un gas ideal (como el aire) a temperatura ambiente (20  ° C ) y 1 atm (101.325 kPa) es

$${\ displaystyle \ eta = \ left ({\ frac {1 \, {\ rm {atm}}} {p_ {0}}} \ right) \ left ({\ frac {273.15 \, {\ rm {K} }} {(273.15 + 20) \, {\ rm {K}}}} \ right) {\ rm {amg}} = 0.932 \, {\ rm {amg}}}.

 amorfismo , en química , cristalografía y, por extensión, a otras áreas de las ciencias naturales es una sustancia o característica que carece de una forma ordenada. En el caso específico de la cristalografía, un material amorfo es aquel que carece de un orden cristalino de largo alcance (significativo) a nivel molecular . En la historia de la química , el amorfismo fue reconocido incluso antes del descubrimiento de la naturaleza de la estructura reticular cristalina atómica exacta . ^[1] El concepto de amorfismo también se puede encontrar en los campos del arte, ^[2] biología , arqueología y filosofía ^[3] como una caracterización de objetos sin forma, o con forma aleatoria o no estructurada.

La carbonia amorfa , también llamada a-carbonia o a-CO ₂ , es una forma sólida amorfa exótica del dióxido de carbono que es análoga al vidrio de sílice amorfa . Se fabricó por primera vez en el laboratorio en 2006 al someter el hielo seco a altas presiones (40-48 gigapascales , o 400,000 a 480,000 atmósferas ), en una celda de yunque de diamante . ^[1] carbonia amorfo no es estable a presiones ordinarias-revierte rápidamente a CO normal de ₂ . ^[2]

Mientras que normalmente el dióxido de carbono forma cristales moleculares , donde las moléculas individuales están unidas por fuerzas de Van der Waals , en carbonia amorfa se forma una red tridimensional de átomos covalentemente unida , en una estructura análoga al dióxido de silicio o al vidrio de dióxido de germanio .

Las mezclas de a-carbonia y a- sílice pueden ser un material de vidrio prospectivo muy duro y rígido estable a temperatura ambiente. Dicho vidrio puede servir como recubrimientos protectores , por ejemplo, en microelectrónica .

El descubrimiento tiene implicaciones para la astrofísica , ya que los interiores de planetas masivos pueden contener dióxido de carbono sólido amorfo.

La dispersión analítica de la luz (ALS), también conocida como SEC - MALS , es la implementación de las técnicas de dispersión estática de la luz (SLS) y la dispersión dinámica de la luz (DLS) en un modo en línea o de flujo. Un instrumento ALS típico consiste en un sistema de cromatografía HPLC / FPLC acoplado en línea con detectores de dispersión de luz y de índice de refracción apropiados. La ventaja de la ALS sobre los métodos convencionales de dispersión de luz en estado estable es que permite la separación de moléculas / macromoléculas en una columna de cromatografía.Previo al análisis con detectores de dispersión de luz. Por consiguiente, la ALS le permite a uno determinar las propiedades hidrodinámicas de una sola especie monodispersa en oposición a las mediciones en masa o promedio en una muestra producida por la dispersión de luz convencional.

Desplazamiento al cuadrado medio $${\ displaystyle \ langle r ^ {2} (\ tau) \ rangle} Para diferentes tipos de difusión anómala.

La difusión anómala es un proceso de difusión con una relación no lineal con el tiempo, en contraste con un proceso de difusión típico, en el que el desplazamiento cuadrado medio (MSD), σ _r ² , de una partícula es una función lineal del tiempo. Físicamente, el MSD puede considerarse la cantidad de espacio que la partícula ha "explorado" en el sistema.

A diferencia de la difusión típica, la difusión anómala se describe mediante una ley de potencia, ^[1] [2] σ _r ² ~ Dt ^α , donde D es el coeficiente de difusión y t es el tiempo transcurrido. En un proceso de difusión típico, α = 1. Si α> 1, el fenómeno se llama superdifusión. La superdifusión puede ser el resultado de procesos de transporte celularactivo . Si α <1 cula="" font="" la="" nbsp="" part="" sub-="" sufre="" una="">difusión . ^[3]

El papel de la difusión anómala ha recibido atención dentro de la literatura para describir muchos escenarios físicos, principalmente en sistemas atestados, por ejemplo, difusión de proteínas dentro de las células o difusión a través de medios porosos. La subdifusión se ha propuesto como una medida del apiñamiento macromolecularen el citoplasma .

Recientemente, se encontró una difusión anómala en varios sistemas que incluyen átomos ultra fríos, ^[4]telómeros en el núcleo de las células, ^[5] canales de iones en la membrana plasmática, ^[6] partículas coloidales en el citoplasma, ^[7] y gusanos Como soluciones micelares. ^[8] También se encontró difusión anómala en otros sistemas biológicos, incluidos los intervalos de latidos del corazón y en secuencias de ADN. ^[9]

Las fluctuaciones diarias de las variables climáticas, como la temperatura, se pueden considerar como pasos de un caminante o difusión aleatorios y se ha encontrado que son anómalas. ^[10]

En 1926, utilizando globos meteorológicos, Lewis Richardson demostró que la atmósfera exhibe una súper difusión. ^[11] En un sistema acotado, la longitud de mezcla (que determina la escala de los movimientos de mezcla dominantes) está dada por la constante de Von Kármán de acuerdo con la ecuación$${\ displaystyle l_ {m} = {\ kappa} z}, dónde $${\ displaystyle l_ {m}}es la longitud de mezcla, $${\ displaystyle {\ kappa}} es la constante de Von Kármán, y $${\ displaystyle z}Es la distancia al límite más cercano. ^[12] Debido a que la escala de movimientos en la atmósfera no está limitada, como en los ríos o en el subsuelo, una pluma continúa experimentando movimientos de mezcla más grandes a medida que aumenta de tamaño, lo que también aumenta su difusividad, lo que resulta en una superdifusión.

Tipos de difusión anómala [ editar ]

De interés dentro de la comunidad científica, cuando se descubre un proceso de difusión de tipo anómalo, el desafío es comprender el mecanismo subyacente que lo causa. Hay una serie de marcos que dan lugar a una difusión anómala que están actualmente en boga dentro de la comunidad de la física estadística . Estas son correlaciones de largo alcance entre las señales ^[14] caminatas aleatorias de tiempo continuo (CTRW ^[15] ) y movimiento browniano fraccional (fBm), difusión de partículas coloidales en suspensiones bacterianas, ^[16] y difusión en medios desordenados. ^[17] [18]La subdifusión anómala en el citosol celular puede ser un artefacto resultante del uso de sondas polidispersas para mediciones.

propiedad molar aparente de un componente de solución en una mezcla o solución es una cantidad definida con el propósito de aislar la contribución de cada componente a la no idealidad de la mezcla. Muestra el cambio en la propiedad de la solución correspondiente (por ejemplo, el volumen ) cuando se agrega todo ese componente a la solución, por mol de componente agregado. Se describe como aparente porque parece representar la propiedad molar de ese componente en solución, siempre que se suponga que las propiedades de los otros componentes de la solución permanecen constantes durante la adición. Sin embargo, esta suposición a menudo no está justificada, ya que los valores de las propiedades molares aparentes de un componente pueden ser bastante diferentes de sus propiedades molares en estado puro.

Por ejemplo, el volumen de una solución que contiene dos componentes identificados ^[1] como disolvente y soluto viene dado por

$${\ displaystyle V = V_ {0} + {} ^ {\ phi} {V} _ {1} \ = {\ tilde {V}} _ {0} n_ {0} + {} ^ {\ phi} { \ tilde {V}} _ {1} n_ {1} \,}

donde V ₀ es el volumen del solvente puro antes de agregar el soluto y$${\ displaystyle {\ tilde {V}} _ {0}}su volumen molar (a la misma temperatura y presión que la solución), n ₀ es el número de moles de disolvente,$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} \,}es el volumen molar aparente del soluto , y n ₁ es el número de moles del soluto en la solución. Al dividir esta relación con la cantidad molar de un componente, se puede obtener una relación entre la propiedad molar aparente de un componente y la proporción de mezcla de componentes.

Esta ecuación sirve como la definición de $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} \,}. El primer término es igual al volumen de la misma cantidad de solvente sin soluto, y el segundo término es el cambio de volumen al agregar el soluto.$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} \,}luego puede considerarse como el volumen molar del soluto si se supone que el volumen molar del disolvente no se modifica con la adición de soluto. Sin embargo, este supuesto a menudo se debe considerar poco realista como se muestra en los ejemplos a continuación, de modo que $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} \,}Se describe solo como un valor aparente .

Una cantidad molar aparente se puede definir de manera similar para el componente identificado como solvente $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {0} \,}. Algunos autores han reportado volúmenes molares aparentes de ambos componentes (líquidos) de la misma solución. ^[2] [3] Este procedimiento puede extenderse a mezclas ternarias y multicomponentes.

Las cantidades aparentes también se pueden expresar utilizando masa en lugar de número de moles. Esta expresión produce cantidades específicas aparentes, como el volumen específico aparente.

$${\ displaystyle V = V_ {0} + {} ^ {\ phi} {V} _ {1} \ = v_ {0} m_ {0} + {} ^ {\ phi} {v} _ {1} m_ {1} \,}

donde las cantidades específicas se denotan con letras pequeñas.

Las propiedades aparentes (molares) no son constantes (incluso a una temperatura dada), sino que son funciones de la composición. En dilución infinita , una propiedad molar aparente y la propiedad molar parcialcorrespondiente se vuelven iguales.

Algunas propiedades molares aparentes que se usan comúnmente son la entalpia molar aparente, la capacidad calorífica molar aparente y el volumen molar aparente.

Relación con la molalidad [ editar ]

El volumen aparente (molal) de un soluto se puede expresar en función de la molalidad b de ese soluto (y de las densidades de la solución y el disolvente). El volumen de solución por mol de soluto es

$${\ displaystyle {\ frac {1} {\ rho}} \ left ({\ frac {1} {b}} + M_ {1} \ right).}

Al restar el volumen de solvente puro por mol de soluto se obtiene el volumen aparente en moles:

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} = {\ frac {1} {b}} \ left ({\ frac {1} {\ rho}} - {\ frac {1} {\ rho _ {0} ^ {0}}} \ right) + {\ frac {M_ {1}} {\ rho}}}^{[ aclaración necesaria ]}

Para más solutos, la igualdad anterior se modifica con la masa molar media de los solutos como si fueran un solo soluto con molalidad b _T :

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {12 ..} = {\ frac {1} {b_ {T}}} \ left ({\ frac {1} {\ rho} } - {\ frac {1} {\ rho _ {0} ^ {0}}} \ right) + {\ frac {M} {\ rho}}}, $${\ displaystyle M = \ sum y_ {i} M_ {i}}

Relación a la proporción de mezcla [ editar ]

Una relación entre el molar aparente de un componente de una mezcla y la relación de mezcla molar se puede obtener al dividir la relación de definición

$${\ displaystyle V = V_ {0} + {} ^ {\ phi} {V} _ {1} \ = {\ tilde {V}} _ {0} n_ {0} + {} ^ {\ phi} { \ tilde {V}} _ {1} n_ {1} \,}

a la cantidad de moles de un componente. Esto da la siguiente relación:

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} = {\ frac {V} {n_ {1}}} - {\ tilde {V}} _ {0} {\ frac {n_ {0}} {n_ {1}}} = {\ frac {V} {n_ {1}}} - {\ tilde {V}} _ {0} r_ {01}}

Relación con cantidades parciales (molares) [ editar ]

Observe las definiciones contrastantes entre la cantidad molar parcial y la cantidad molar aparente: en el caso de volúmenes molares parciales $${\ displaystyle {\ bar {V_ {0}}}, {\ bar {V_ {1}}}}, definido por

$${\ displaystyle {\ bar {V_ {0}}} = {\ Big (} {\ frac {\ parcial V} {\ parcial n_ {0}}} {\ Big)} _ {T, p, n_ {1 }}, {\ bar {V_ {1}}} = {\ Big (} {\ frac {\ parcial V} {\ parcial n_ {1}}} {\ Big)} _ {T, p, n_ {0 }}},

podemos escribir $${\ displaystyle dV = {\ bar {V_ {0}}} dn_ {0} + {\ bar {V_ {1}}} dn_ {1}}, y entonces $${\ displaystyle V = {\ bar {V_ {0}}} n_ {0} + {\ bar {V_ {1}}} n_ {1}}siempre se mantiene. En contraste, en la definición de volumen molar aparente, el volumen molar del solvente puro,$${\ displaystyle {\ tilde {V}} _ {0}}, se usa en su lugar, que se puede escribir como

$${\ displaystyle {\ tilde {V_ {0}}} = {\ Big (} {\ frac {\ parcial V} {\ parcial n_ {0}}} {\ Big)} _ {T, p, n_ {1 } = 0}},

para comparacion. En otras palabras, asumimos que el volumen del solvente no cambia, y usamos el volumen molar parcial donde el número de moles del soluto es exactamente cero ("el volumen molar"). Así, en la expresión definitoria para volumen molar aparente$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1}},

$${\ displaystyle V = V_ {0} + {} ^ {\ phi} {V} _ {1} \ = {\ tilde {V}} _ {0} n_ {0} + {} ^ {\ phi} { \ tilde {V}} _ {1} n_ {1} \,},

el termino $${\ displaystyle V_ {0}} se atribuye al solvente puro, mientras que el exceso de volumen "sobrante", $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} V_ {1}}, se considera que se origina a partir del soluto. A alta dilución con$${\ displaystyle n_ {0} \ gg n_ {1} \ approx 0}, tenemos $${\ displaystyle {\ tilde {V_ {0}}} \ approx {\ bar {V_ {0}}}}, y así el volumen molar aparente y el volumen molar parcial del soluto también convergen: $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} \ approx {\ bar {V}} _ {1}}.

Cuantitativamente, la relación entre las propiedades molares parciales y las aparentes puede derivarse de la definición de las cantidades aparentes y de la molalidad. Para el volumen,

$${\ displaystyle {\ bar {V_ {1}}} = {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} + b {\ frac {\ partial {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1}} {\ partial b}}.}

Relación con el coeficiente de actividad de un electrolito y su número de concha de solvatación [ editar ]

La relación r _a entre el volumen molar aparente de un electrolito disuelto en una solución concentrada y el volumen molar del disolvente (agua) se puede vincular al componente estadístico del coeficiente de actividad del electrolito y su número de cubierta de solvatación h : ^{[4 ]}

$${\ displaystyle \ ln \ gamma _ {s} = {\ frac {h- \ nu} {\ nu}} \ ln (1 + {\ frac {br_ {a}} {55.5}}) - {\ frac { h} {\ nu}} \ ln (1 - {\ frac {br_ {a}} {55.5}}) + {\ frac {br_ {a} (r_ {a} + h- \ nu)} {55.5 ( 1 + {\ frac {br_ {a}} {55.5}})}}},

donde ν es el número de iones debido a la disociación del electrolito.

Ejemplos [ editar ]

Electrolitos [ editar ]

El volumen molar aparente de una sal es generalmente menor que el volumen molar de la sal sólida. Por ejemplo, el NaCl sólido tiene un volumen de 27 cm ³ por mol, pero el volumen molar aparente a bajas concentraciones es solo de 16.6 cc / mol. De hecho, algunos acuosas electrolitos tienen volúmenes negativos aparente molares: NaOH -6,7, LiOH -6,0, y Na ₂ CO ₃ -6,7 cm ³ / mol. ^[5]Esto significa que sus soluciones en una cantidad determinada de agua tienen un volumen menor que la misma cantidad de agua pura. (Sin embargo, el efecto es pequeño). La razón física es que las moléculas de agua cercanas se sienten fuertemente atraídas por los iones para que ocupen menos espacio.

Alcohol [ editar ]

Exceso de volumen de una mezcla de etanol y agua.

Otro ejemplo del volumen molar aparente del segundo componente que es menor que su volumen molar como sustancia pura es el caso del etanol en agua. Por ejemplo, al 20 por ciento en masa de etanol, la solución tiene un volumen de 1.0326 litros por kg a 20 ° C, mientras que el agua pura es 1.0018 L / kg (1.0018 cc / g). ^[6] El volumen aparente del etanol agregado es 1.0326 L - 0.8 kg x 1.0018 L / kg = 0.2317 L. El número de moles de etanol es 0.2 kg / (0.04607 kg / mol) = 4.341 mol, de modo que el molar aparente el volumen es de 0.2317 l / 4.341 mol = 0.0532 l / mol = 53.2 cc / mol (1.16 cc / g). Sin embargo, el etanol puro tiene un volumen molar a esta temperatura de 58.4 cc / mol (1.27 cc / g).

Si la solución fuera ideal , su volumen sería la suma de los componentes sin mezclar. El volumen de 0,2 kg de etanol puro es de 0,2 kg x 1,27 l / kg = 0,254 l, y el volumen de 0,8 kg de agua pura es de 0,8 kg x 1,0018 l / kg = 0,80144 l, por lo que el volumen ideal de solución sería 0,254 l + 0,80144 L = 1.055 L. La falta de idealidad de la solución se refleja en una ligera disminución (aproximadamente 2.2%, 1.0326 en lugar de 1.055 L / kg) en el volumen del sistema combinado al mezclar. A medida que el porcentaje de etanol aumenta hasta el 100%, el volumen molar aparente aumenta hasta el volumen molar de etanol puro.

Electrolito - sistemas no electrolíticos [ editar ]

Las cantidades aparentes pueden subrayar las interacciones en los sistemas de electrólitos y no electrolitos que muestran interacciones como salado y salado , pero también proporcionan información sobre las interacciones ion-ion, especialmente por su dependencia de la temperatura.

Mezclas o soluciones multicomponentes [ editar ]

Para soluciones de múltiples componentes, las propiedades molares aparentes se pueden definir de varias maneras. Para el volumen de una solución ternaria (3 componentes) con un solvente y dos solutos como ejemplo, todavía habría una sola ecuación$${\ displaystyle (V = {\ tilde {V}} _ {0} n_ {0} + {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} n_ {1} + {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {2} n_ {2})}, lo cual es insuficiente para determinar los dos volúmenes aparentes. (Esto contrasta con las propiedades molares parciales , que son propiedades intensivas bien definidas de los materiales y, por lo tanto, definidas de manera inequívoca en sistemas multicomponentes. Por ejemplo, el volumen molar parcial se define para cada componente i como$${\ displaystyle {\ bar {V_ {i}}} = (\ partial V / \ partial n_ {i}) _ {T, p, n_ {j \ neq i}}}.)

Una descripción de soluciones acuosas ternarias considera solo el volumen molar aparente medio ponderado de los solutos, ^[7] definido como

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} (n_ {1}, n_ {2}) = {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {12} = {\ frac {V-V_ {0}} {n_ {1} + n_ {2}}}},

dónde $${\ displaystyle V} es el volumen de solución y $${\ displaystyle V_ {0}} El volumen de agua pura.

Otro método es tratar el sistema ternario como pseudobinario y definir el volumen molar aparente de cada soluto con referencia a un sistema binario que contiene otros dos componentes: el agua y el otro soluto. ^[8] Los volúmenes molares aparentes de cada uno de los dos solutos son entonces

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {1} = {\ frac {VV (solvente + soluto \ 2)} {n_ {1}}}} y $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {2} = {\ frac {VV (solvente + soluto \ 1)} {n_ {2}}}}

El volumen molar aparente del solvente es:

$${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {0} = {\ frac {VV (soluto \ 1 + solute \ 2)} {n_ {0}}}}

Sin embargo, esta es una descripción insatisfactoria de las propiedades volumétricas. ^[9]

El volumen molar aparente de dos componentes o solutos considerado como un pseudocomponente $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {12}} o $${\ displaystyle {} ^ {\ phi} {\ tilde {V}} _ {ij}}no debe confundirse con volúmenes de mezclas binarias parciales con un componente común V _ij , V _jk, que mezclado en una cierta proporción de mezcla forma una cierta mezcla ternaria V o V _ijk . ^{[ aclaración necesaria ]}

Por supuesto, el volumen del complemento de un componente con respecto a otros componentes de la mezcla se puede definir como una diferencia entre el volumen de la mezcla y el volumen de una submezcla binaria de una composición dada como:

$${\ displaystyle {} ^ {c} {\ tilde {V}} _ {2} = {\ frac {V-V_ {01}} {n_ {2}}}}

Hay situaciones en las que no hay una forma rigurosa de definir cuál es el solvente y cuál es el soluto como en el caso de mezclas líquidas (por ejemplo, agua y etanol) que pueden disolverse o no en un sólido como el azúcar o la sal. En estos casos, las propiedades molares aparentes pueden y deben atribuirse a todos los componentes de la mezcla.