Afinidad química

En física química y química física, la afinidad química es la propiedad electrónica por la cual especies químicas diferentes son capaces de formar compuestos químicos. La afinidad química también puede referirse a la tendencia de un átomo o compuesto a combinarse por reacción química con átomos o compuestos de diferente composición.

Historia

Primeras teorías

La idea de afinidad es extremadamente antigua. Se han hecho muchos intentos para identificar sus orígenes. Sin embargo, la mayoría de tales intentos, excepto de manera general, terminan en vano ya que las "afinidades" se encuentran en la base de toda la magia, por lo tanto anterior a la ciencia. La química física, sin embargo, fue una de las primeras ramas de la ciencia en estudiar y formular una 'teoría de la afinidad'. El nombre affinitas fue utilizado por primera vez en el sentido de relación química por el filósofo alemán Albertus Magnus cerca del año 1250. Más tarde, aquellos como Robert Boyle, John Mayow, Johann Glauber, Isaac Newton y Georg Stahl propusieron ideas sobre la afinidad electiva en un intento de explicar cómo se desarrolla el calor durante las reacciones de combustión.

El término afinidad se ha utilizado en sentido figurado desde c. 1600 en discusiones de relaciones estructurales en química, filología, etc., y referencia a "atracción natural" es de 1616. "Afinidad química", históricamente, se ha referido a la "fuerza" que provoca reacciones químicas. así como, de manera más general y anterior, la ″tendencia a combinarse″ de cualquier par de sustancias. La definición amplia, utilizada generalmente a lo largo de la historia, es que la afinidad química es aquella por la cual las sustancias entran o resisten la descomposición.

El término moderno afinidad química es una variación algo modificada de su precursor del siglo XVIII "afinidad electiva" o atracciones electivas, un término que fue utilizado por el profesor de química del siglo XVIII William Cullen. No está claro si Cullen acuñó la frase, pero su uso parece ser anterior a la mayoría de los demás, aunque rápidamente se generalizó en toda Europa, y fue utilizado en particular por el químico sueco Torbern Olof Bergman a lo largo de su libro Detractionibus electivis (1775). Las teorías de afinidad fueron utilizadas de una forma u otra por la mayoría de los químicos desde mediados del siglo XVIII hasta el siglo XIX para explicar y organizar las diferentes combinaciones en las que podían entrar las sustancias y de las que podían recuperarse. Antoine Lavoisier, en su famoso Traité Élémentaire de Chimie (Elementos de química) de 1789, se refiere al trabajo de Bergman y analiza el concepto de afinidades o atracciones electivas.

Según el historiador de la química Henry Leicester, el influyente libro de texto de 1923 Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Reactions de Gilbert N. Lewis y Merle Randall condujo al reemplazo del término "afinidad" 34; por el término "energía libre" en gran parte del mundo de habla inglesa.

Según Prigogine, el término fue introducido y desarrollado por Théophile de Donder.

Goethe utilizó el concepto en su novela Afinidades electivas (1809).

Representaciones visuales

El concepto de afinidad estaba muy ligado a la representación visual de sustancias sobre una mesa. La primera tabla de afinidad, basada en reacciones de desplazamiento, fue publicada en 1718 por el químico francés Étienne François Geoffroy. El nombre de Geoffroy es mejor conocido en relación con estas tablas de "afinidades" (tables des rapports), que se presentaron por primera vez a la Academia de Ciencias de Francia en 1718 y 1720, como se muestra a continuación:

Geoffroy's Tabla de afinidad (1718): En la cabeza de la columna hay una sustancia con la que se pueden combinar todas las sustancias a continuación, donde cada columna debajo del encabezado está clasificada por grados de "afinidad".

Durante el siglo XVIII, se propusieron muchas versiones de la tabla y químicos líderes como Torbern Bergman en Suecia y Joseph Black en Escocia la adaptaron para dar cabida a nuevos descubrimientos químicos. Todas las tablas eran esencialmente listas, preparadas cotejando las observaciones sobre las acciones de las sustancias entre sí, que mostraban los diversos grados de afinidad exhibidos por cuerpos análogos para diferentes reactivos.

De manera crucial, la tabla era la herramienta gráfica central utilizada para enseñar química a los estudiantes y su disposición visual a menudo se combinaba con otros tipos de diagramas. Joseph Black, por ejemplo, usó la tabla en combinación con diagramas quiásticos y circulares para visualizar los principios básicos de la afinidad química. Las tablas de afinidad se utilizaron en toda Europa hasta principios del siglo XIX, cuando fueron desplazadas por conceptos de afinidad introducidos por Claude Berthollet.

Concepciones modernas

En física química y química física, la afinidad química es la propiedad electrónica por la cual especies químicas diferentes son capaces de formar compuestos químicos. La afinidad química también puede referirse a la tendencia de un átomo o compuesto a combinarse por reacción química con átomos o compuestos de diferente composición.

En términos modernos, relacionamos la afinidad con el fenómeno por el cual ciertos átomos o moléculas tienen la tendencia a agregarse o unirse. Por ejemplo, en el libro Química de la vida humana de 1919, el médico George W. Carey afirma que "La salud depende de una cantidad adecuada de fosfato de hierro Fe₃(PO ₄)₂ en la sangre, pues las moléculas de esta sal tienen afinidad química por el oxígeno y lo transportan a todas las partes del organismo." En este contexto anticuado, la afinidad química a veces se encuentra como sinónimo del término "atracción magnética". Muchos escritos, hasta alrededor de 1925, también se refieren a una "ley de afinidad química".

Ilya Prigogine resumió el concepto de afinidad diciendo: "Todas las reacciones químicas llevan al sistema a un estado de equilibrio en el que las afinidades de las reacciones desaparecen".

Termodinámica

La definición actual de la IUPAC es que la afinidad A es la derivada parcial negativa de la energía libre de Gibbs G con respecto a la extensión de la reacción ξ en presión y temperatura constantes. Es decir,

A=− − ()∂ ∂ G∂ ∂ .. )P,T.{displaystyle A=-left({frac {partial G}{partial xi }right)_{P,T}.}

Se deduce que la afinidad es positiva para las reacciones espontáneas.

En 1923, el matemático y físico belga Théophile de Donder derivó una relación entre la afinidad y la energía libre de Gibbs de una reacción química. A través de una serie de derivaciones, de Donder demostró que si consideramos una mezcla de especies químicas con posibilidad de reacción química, se puede probar que se cumple la siguiente relación:

A=− − Δ Δ rG.{displaystyle A=-Delta _{r}G.,}

Con los escritos de Théophile de Donder como precedente, Ilya Prigogine y Defay en Chemical Thermodynamics (1954) definieron la afinidad química como la tasa de cambio del calor de reacción no compensado Q' a medida que la variable de progreso de la reacción o la extensión de la reacción ξ crece infinitesimalmente:

A=dQ.d.. .{displaystyle A={frac {mathrm {}Q'}{mathrm {d}xi }}xi },}

Esta definición es útil para cuantificar los factores responsables tanto del estado de equilibrio de los sistemas (donde A = 0), como de los cambios de estado de sistemas en no equilibrio (donde A ≠ 0).