Estado estándar

En química, el estado estándar de un material (sustancia pura, mezcla o solución) es un punto de referencia para calcular sus propiedades en diferentes condiciones. Se utiliza un círculo en superíndice ° (símbolo de grado) o un carácter Plimsoll (⦵) para designar una cantidad termodinámica en el estado estándar, como un cambio de entalpía (ΔH°), un cambio de entropía (Δ S°), o cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG°). El símbolo de grado se ha generalizado, aunque el Plimsoll se recomienda en los estándares, consulte la discusión sobre composición tipográfica a continuación.

En principio, la elección del estado estándar es arbitraria, aunque la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) recomienda un conjunto convencional de estados estándar para uso general. El estado estándar no debe confundirse con la temperatura y presión estándar (STP) para gases, ni con las soluciones estándar utilizadas en química analítica. STP se usa comúnmente para cálculos que involucran gases que se aproximan a un gas ideal, mientras que las condiciones de estado estándar se usan para cálculos termodinámicos.

Para un material o sustancia dada, el estado estándar es el estado de referencia para las propiedades del estado termodinámico del material, como la entalpía, la entropía, la energía libre de Gibbs y para muchos otros estándares de materiales. El cambio de formación de entalpía estándar para un elemento en su estado estándar es cero, y esta convención permite calcular y tabular una amplia gama de otras cantidades termodinámicas. El estado estándar de una sustancia no tiene por qué existir en la naturaleza: por ejemplo, es posible calcular valores para vapor a 298,15 K y 10⁵ Pa, aunque el vapor no existe (como gas) en estas condiciones. La ventaja de esta práctica es que las tablas de propiedades termodinámicas preparadas de esta manera son autoconsistentes.

Estados estándar convencionales

Muchos estados estándar son estados no físicos, a menudo denominados "estados hipotéticos". No obstante, sus propiedades termodinámicas están bien definidas, generalmente por una extrapolación de alguna condición limitante, como presión cero o concentración cero, a una condición específica (generalmente concentración o presión unitaria) usando una función de extrapolación ideal, como solución ideal o concentración ideal. comportamiento de los gases, o por mediciones empíricas. Estrictamente hablando, la temperatura no es parte de la definición de un estado estándar. Sin embargo, la mayoría de las tablas de cantidades termodinámicas se compilan a temperaturas específicas, más comúnmente 298,15 K (25,00 °C; 77,00 °F) o, algo menos común, 273,15 K (0,00 °C; 32,00 °F).

Gases

El estado estándar de un gas es el estado hipotético que tendría como sustancia pura obedeciendo a la ecuación de gas ideal a presión estándar. IUPAC recomienda usar una presión estándar p^⦵ o P° igual a 10⁵ Pa, o 1 barra. Ningún gas real tiene un comportamiento perfectamente ideal, pero esta definición del estado estándar permite que las correcciones por no idealidad se realicen de manera consistente para todos los diferentes gases.

Líquidos y sólidos

El estado estándar para líquidos y sólidos es simplemente el estado de la sustancia pura sujeta a una presión total de 10 ⁵ Pa (o 1 barra). Para la mayoría de los elementos, el punto de referencia de ΔH_f^⦵ = 0 se define para el alótropo más estable del elemento, como el grafito en el caso del carbono, y la fase β (estaño blanco) en el caso del estaño. Una excepción es el fósforo blanco, el alótropo más común del fósforo, que se define como el estado estándar a pesar de que solo es metaestable.

Solutos

Para una sustancia en solución (soluto), el estado estándar C° generalmente se elige como el estado hipotético que tendría en el estado estándar de molalidad o cantidad de concentración pero exhibiendo un comportamiento de dilución infinita (donde no hay interacciones soluto-soluto, pero existen interacciones soluto-disolvente). La razón de esta definición inusual es que el comportamiento de un soluto en el límite de la dilución infinita se describe mediante ecuaciones que son muy similares a las ecuaciones de los gases ideales. Por lo tanto, tomar el comportamiento de dilución infinita como el estado estándar permite que las correcciones por no idealidad se realicen de manera consistente para todos los diferentes solutos. La molalidad del estado estándar es 1 mol/kg, mientras que la molaridad del estado estándar es 1 mol/dm³.

Otras opciones son posibles. Por ejemplo, el uso de una concentración de estado estándar de 10⁻⁷ mol/L para el ion de hidrógeno en una solución acuosa real es común en el campo de la bioquímica. En otras áreas de aplicación, como la electroquímica, el estado estándar a veces se elige como el estado real de la solución real en una concentración estándar (a menudo 1 mol/dm³). Los coeficientes de actividad no se transferirán de una convención a otra, por lo que es muy importante saber y comprender qué convenciones se usaron en la construcción de tablas de propiedades termodinámicas estándar antes de usarlas para describir soluciones.

Adsorbatos

Para las moléculas adsorbidas en superficies se han propuesto varias convenciones basadas en estados estándar hipotéticos. Para la adsorción que ocurre en sitios específicos (isoterma de adsorción de Langmuir), el estado estándar más común es una cobertura relativa de θ° = 0.5, ya que esta elección resulta en una cancelación de la entropía configuracional término y también es consistente con no incluir el estado estándar (que es un error común). La ventaja de usar θ° = 0.5 es que el término configuracional se cancela y la entropía extraída de los análisis termodinámicos refleja los cambios intramoleculares entre la fase principal (como gas o líquido) y el estado adsorbido. Puede ser beneficioso tabular valores basados tanto en el estado estándar basado en la cobertura relativa como en una columna adicional en el estado estándar basado en la cobertura absoluta. Para los estados gaseosos 2D, no surge la complicación de los estados discretos y se ha propuesto un estado estándar base de densidad absoluta, similar para la fase gaseosa 3D.

Composición tipográfica

En el momento del desarrollo en el siglo XIX, se adoptó el símbolo de superíndice Plimsoll (^⦵) para indicar la naturaleza distinta de cero del estado estándar. La IUPAC recomienda en la 3.ª edición de Cantidades, unidades y símbolos en química física un símbolo que parece ser un signo de grado (°) como sustituto de la marca de plimsoll. En la misma publicación, la marca de zapatillas de deporte parece estar construida combinando un trazo horizontal con un signo de grado. En la literatura se utiliza una variedad de símbolos similares: una letra O minúscula trazada (^o), un superíndice cero (⁰) o un círculo con una barra horizontal donde la barra se extiende más allá de los límites del círculo (U+29B5 ⦵ CÍRCULO CON BARRA HORIZONTAL) o está encerrado por el círculo, dividiendo el círculo por la mitad (U+2296 ⊖ MENOS CIRCULAR). En comparación con el símbolo de la plimsoll que se usa en las embarcaciones, la barra horizontal debe extenderse más allá de los límites del círculo; se debe tener cuidado de no confundir el símbolo con la letra griega theta (Θ mayúscula o ϴ, θ minúscula).

Ian M. Mills, que participó en la elaboración de una revisión Cuantidades, Unidades y Símbolos en Química Física, sugirió que un superscripto cero (0{displaystyle ^{0}) es una alternativa igual para indicar "Estado estándar", aunque un símbolo de grado (°) se utiliza en el mismo artículo. El símbolo de grado ha llegado a un uso generalizado en los libros de texto de química general, inorgánica y física en los últimos años.