EQUILIBRIO DE FASES: UNA MIRADA A SUS APLICACIONES DE CALENTAMIENTO

El equilibrio de fases suena complejo (casi como ciencia ficción) y puede ser difícil. Sin embargo, simplemente se refiere al «estudio del equilibrio que existe entre o en los diferentes estados de materia», como gases, líquidos y sólidos. 

Este estudio no es tan abstracto como parece y se utiliza para varios fines industriales, especialmente aquellos con requisitos de calentamiento específicos. Esta publicación examinará el equilibrio de fases, aplicaciones prácticas y las implicaciones del calentamiento asociadas con este estudio.

¿Qué es el equilibrio de fases?

Este es un tema en química que se refiere al equilibrio que se encuentra entre los diferentes estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. El equilibrio significa que no se producen cambios en el potencial químico de los diferentes componentes, donde se produce una interacción uniforme entre las fases.

La regla de las fases gobierna los procesos de equilibrio de fases. Esta regla tiene que ver con cómo se imponen variables, como la temperatura, la presión y el volumen, en una determinada fase. Son estos factores los que determinarán la transición de fases, como el punto de fusión o el punto de ebullición de una sustancia. En cuanto al equilibrio de fases, una partícula que se transforma en otra no provocará una pérdida de energía.

Tipos de equilibrios 

Equilibrio de fases

Un ejemplo de equilibrio de fases serían las moléculas de agua a 0 °C, el cual es el punto de congelación y el punto de fusión del agua. En esta fase, el número de moléculas de agua que se convierten en hielo es el mismo que el número de moléculas que se derriten. Esto crea un equilibrio entre lo sólido y lo líquido.

Hielo (s) ⇌ Agua (l)

El equilibrio de fases también se aplica a un líquido en un recipiente cerrado. El número de moléculas de líquido que se convierten en vapor será la misma cantidad de moléculas de vapor que se convierten en líquido. La velocidad a la que se evapora el líquido es igual a la condensación.

Agua (l) ⇌ Agua (g)

Equilibrio soluto-sólido

Este tipo de equilibrio aparece cuando un soluto en una solución saturada está en contacto con un soluto no disuelto. Si el número de moléculas que se depositan fuera de la solución es igual al número de moléculas que se disuelven, existe un equilibrio soluto-sólido. 

Soluto (aq) ⇌ Soluto (s)

Equilibrio gas-líquido

En un recipiente cerrado, como una bebida, puede haber un equilibrio entre el gas del líquido y el gas que completa el resto del recipiente. El gas dióxido de carbono del refresco está en equilibrio con el gas que completa el espacio vacío.

Gas (solución) ⇌ Gas (g)

Aplicaciones prácticas para el equilibrio de fases

Producción de cal

Para crear una reacción directa, la producción de cal debe ser endotérmica. Esto significa que se absorben 178 kJ de energía térmica por cada mol de óxido de calcio que se forma. Si en esta reacción se forma un mol de gas, habrá un aumento neto en la producción de cal, ya que no hay productos gaseosos. En un horno de cal ventilado, también se puede disminuir la presión para aumentar la formación de moléculas de gas, lo que significa que se forma más dióxido de carbono o cal. 

Síntesis de amoniaco

Proceso de Haber

El proceso de Haber de síntesis de amoniaco utiliza la reacción entre el gas nitrógeno y el gas hidrógeno. Esto requiere el uso de aire, hidrocarburos de orden superior y agua.

Proceso Bosch-Haber

El proceso Bosch-Haber de síntesis de amoniaco considera que esta es una reacción exotérmica, ya que desprende calor. Este proceso requiere cuatro moles de gas reactivo para producir dos moles del gas producto, lo cual es una disminución en el número de moléculas de gas. 

Las reglas del equilibrio de fases se utilizan para encontrar una manera de producir la mayor cantidad de amoniaco. Las temperaturas más altas producirán menos amoniaco, pero funcionarán más rápido que con temperaturas bajas.

Producción de ácido sulfúrico

Para producir ácido sulfúrico, se mezcla dióxido de azufre con aire con un catalizador de óxido vanadio a altas temperaturas. Esto oxida el dióxido de azufre, convirtiéndolo en una reacción exotérmica. 

Esto produce trióxido de azufre, un precursor del ácido sulfúrico. Luego, el trióxido de azufre se disolverá en ácido sulfúrico concentrado para formar óleum (ácido sulfúrico fumante). Finalmente, una vez que se le agrega agua, se produce ácido sulfúrico.

Producción de metanol

Para producir metanol, se sintetizan gases de monóxido de carbono e hidrógeno. En el catalizador se utiliza una alta temperatura y alta presión para obtener la mejor cantidad producción. El metanol proporciona recursos adicionales para plásticos, piezas de autos, materiales de construcción y pinturas. Es una fuente de energía limpia para alimentar vehículos, calderas y estufas.

Implicancias del calentamiento

Un cambio en la presión, concentración o temperatura afecta los resultados de las reacciones de equilibrio de fases, por lo que una pequeña compensación puede crear un nuevo equilibrio. En términos de implicancias de calentamiento en entornos industriales, agregar, eliminar o cambiar el calor cambiará el equilibrio y producirá diferentes sustancias químicas o diferentes cantidades.

Las ecuaciones químicas para reacciones por lo general no incluyen un valor térmico; sin embargo, las reacciones generalmente incluyen una absorción o liberación de calor. Depende de los calentadores industriales alcanzar las temperaturas sostenibles para lograr los estados ideales.

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