2. Todos los organismos vivos, incluidas las plantas, necesitan un aporte continuo de energía libre
para mantener y reparar sus estructuras altamente organizadas, así como para crecer y
reproducirse. Procesos como las reacciones bioquímicas, la acumulación de solutos y el
transporte a larga distancia son impulsados por un aporte de energía libre a la planta.
El potencial químico del agua es una expresión cuantitativa de la energía libre asociada con el
agua. En termodinámica, la energía libre representa el potencial para realizar trabajo. Es
importante destacar que el potencial químico es una cantidad relativa: se expresa como la
diferencia entre el potencial de una sustancia en un estado determinado y el potencial de la
misma sustancia en un estado de referencia. Las unidades de potencial químico son energía por
mol de sustancia (J mol-1).
3. Potencial químico, cuyo símbolo es μ, es un término introducido en 1876 por
el físico estadounidense Willard Gibbs, que él definió como sigue:
«Si suponemos que se añade una cantidad infinitesimal de cualquier
sustancia a una masa homogénea cualquiera en un estado de tensión
hidrostática, que la masa permanece homogénea y su entropía y
volumen permanecen constantes, el incremento de la energía interna
de la masa dividida por la cantidad de la sustancia añadida es el
potencial para esa sustancia en la masa considerada.»
El potencial químico también se define como la tendencia de un componente a
escapar de una determinada fase, así, si el potencial químico es alto, el
componente tenderá a salir lo más rápido posible de la fase en que se
encuentra y al contrario, si es bajo (incluyendo valores negativos), tenderá a
permanecer en ella.
A través del estudio de las interacciones de sustancias homogéneas en
contacto, es decir, cuerpos, siendo su composición en parte sólida, en parte
líquida, y en parte vapor, y utilizando un gráfico volumen-entropía-energía
interna en tres dimensiones, Gibbs pudo determinar tres estados de equilibrio,
es decir, "necesariamente estable", "neutral", e "inestable", y si los cambios se
4. Gibbs declara:
«Si queremos expresar en una sola ecuación la condición necesaria y
suficiente del equilibrio termodinámico para una sustancia cuando se
encuentra en un medio a presión P y temperatura T constantes, esta
ecuación podría ser escrita:
Características de los potenciales químicos:
La tendencia de una sustancia a:
- Reaccionar con otras sustancias - Transformarse en otro estado
- Redistribuirse especialmente puede ser expresada por una única cantidad
- su potencial químico μ
La magnitud de ésta tendencia, es decir el valor numérico de μ, puede variar y es
determinado por:
- El tipo de sustancia
• El medio en el cual se encuentra pero no por el tipo de participantes en la
reacción, ni por los productos que resulten.
Una reacción, transformación, redistribución, etc. puede darse espontáneamente,
cuando la tendencia hacia el proceso, sea más pronunciada en el estado inicial, que
Donde delta se refiere al cambio producido por cualquier variación en el estado de las
partes del cuerpo, y (cuando diferentes partes del cuerpo están en diferentes estados)
en la proporción en que el cuerpo está repartido entre los diferentes estados. La
condición de equilibrio estable es que el valor de la expresión del paréntesis sea
mínima.».
5. Ejemplo: la combustión en una vela obedece a que las sustancias iniciales (en
este caso parafina de fórmula ≈ CH2 y oxígeno de la atmósfera) tienen un
potencial químico mayor que los productos finales (en este caso, dióxido de
carbono y vapor de agua), esto es:
3 µ(O2) + 2 µ((CH2) > 2 µ(CO2) + 2 µ(H2O)
Sustancia Fórmula μ⊖ Kg
Sustancias puras
Hierro Fe|s 0
Grafito C|grafito 0
Diamante C|diamante +3
Agua H2O|l -237
Vapor de agua H2O|g -229
Sal de cocina NaCl|s -384
Cuarzo SiO2|s -856
Mármol CaCO3|s -1129
Azúcar de caña C12H22O11|s -1558
Parafina ≈(CH2)|s +4
Benceno C6H6|l +125
Acetileno C2H2|g +210
En agua
Azúcar C12H22O11|a -1565
Amoníaco NH3|a -27
Hidrógeno (I) H+|a 0
Calcio(II) Ca2+|a -554
μ⊖ = μ(p⊖, T⊖) para sustancias puras T⊖ = 298,15 K
μ⊖ = μ(p⊖, T⊖, c⊖) para sustancias disueltas p⊖ = 100 kPa
c⊖ = 1 kmol⋅m-
T⊖, p⊖, c⊖ se refieren a temperatura normal, presión normal y concentración normal.
6.
7.
8. Todos los organismos vivos, incluidas las plantas, necesitan un aporte continuo de energía libre
para mantener y reparar sus estructuras altamente organizadas, así como para crecer y
reproducirse. Procesos como las reacciones bioquímicas, la acumulación de solutos y el
transporte a larga distancia son impulsados por un aporte de energía libre a la planta.
El potencial químico del agua es una expresión cuantitativa de la energía libre asociada con el
agua. En termodinámica, la energía libre representa el potencial para realizar trabajo. Es
importante destacar que el potencial químico es una cantidad relativa: se expresa como la
diferencia entre el potencial de una sustancia en un estado determinado y el potencial de la
misma sustancia en un estado de referencia. Las unidades de potencial químico son energía por
mol de sustancia (J mol-1).
9. Todos los organismos vivos, incluidas las plantas, necesitan un aporte continuo de energía libre
para mantener y reparar sus estructuras altamente organizadas, así como para crecer y
reproducirse. Procesos como las reacciones bioquímicas, la acumulación de solutos y el
transporte a larga distancia son impulsados por un aporte de energía libre a la planta.
El potencial químico del agua es una expresión cuantitativa de la energía libre asociada con el
agua. En termodinámica, la energía libre representa el potencial para realizar trabajo. Es
importante destacar que el potencial químico es una cantidad relativa: se expresa como la
diferencia entre el potencial de una sustancia en un estado determinado y el potencial de la
misma sustancia en un estado de referencia. Las unidades de potencial químico son energía por
mol de sustancia (J mol-1).
10. Todos los organismos vivos, incluidas las plantas, necesitan un aporte continuo de energía libre
para mantener y reparar sus estructuras altamente organizadas, así como para crecer y
reproducirse. Procesos como las reacciones bioquímicas, la acumulación de solutos y el
transporte a larga distancia son impulsados por un aporte de energía libre a la planta.
El potencial químico del agua es una expresión cuantitativa de la energía libre asociada con el
agua. En termodinámica, la energía libre representa el potencial para realizar trabajo. Es
importante destacar que el potencial químico es una cantidad relativa: se expresa como la
diferencia entre el potencial de una sustancia en un estado determinado y el potencial de la
misma sustancia en un estado de referencia. Las unidades de potencial químico son energía por
mol de sustancia (J mol-1).
11. Todos los organismos vivos, incluidas las plantas, necesitan un aporte continuo de energía libre
para mantener y reparar sus estructuras altamente organizadas, así como para crecer y
reproducirse. Procesos como las reacciones bioquímicas, la acumulación de solutos y el
transporte a larga distancia son impulsados por un aporte de energía libre a la planta.
El potencial químico del agua es una expresión cuantitativa de la energía libre asociada con el
agua. En termodinámica, la energía libre representa el potencial para realizar trabajo. Es
importante destacar que el potencial químico es una cantidad relativa: se expresa como la
diferencia entre el potencial de una sustancia en un estado determinado y el potencial de la
misma sustancia en un estado de referencia. Las unidades de potencial químico son energía por
mol de sustancia (J mol-1).
Notas del editor
El agua y las células vegetales
El agua juega un papel crucial en la vida de las plantas. Por cada gramo de materia orgánica producida por las plantas, las raíces absorben aproximadamente 500 g de agua que son transportados a través del cuerpo de la planta y liberados en la atmosfera. Cualquier pequeño desequilibrio en este flujo de agua puede causar un déficit hídrico y una grave disfunción de muchos procesos celulares. Así, para cada planta existe un delicado equilibrio entre el agua incorporada y el agua liberada. Para llevar a cabo la fotosíntesis, la planta necesita incorporar dióxido de carbono de la atmosfera exponiéndose a perder agua y a sufrir deshidratación.
Una diferencia importante entre las células animales y las células vegetales, y que afecta a todos los aspectos relacionados con el agua, es la existencia de la pared celular en las plantas. Las paredes celulares permiten a las células vegetales crear una gran presión hidrostática interna, o presión de turgencia, que es el resultado del equilibrio hídrico. La presión de turgencia es esencial para muchos procesos fisiológicos como son el crecimiento celular, el intercambio gaseoso en las hojas, el transporte en el floema y diversos procesos de transporte a través de la membrana. La presión de turgencia también contribuye a la rigidez y a la estabilidad mecánica de los tejidos de los tejidos vegetales no lignificados.
El agua en la vida de las plantas: Las principales funciones del agua en la vida vegetal
El agua constituye la mayor parte de la masa de las células vegetales, tal como se aprecia fácilmente cuando se observan secciones de células vegetales maduras al microscopio: cada célula contiene una gran vacuola llena de agua. En dichas células, el citoplasma representa solo un 5 a 10% del volumen celular, el resto lo ocupa la vacuola. El agua constituye entre el 80 y 90% de la masa de los tejidos de las plantas en crecimiento. Las semillas, con un contenido hídrico del 5 a 15% están entre los tejidos vegetales más secos, por lo que antes de la germinación han de absorber una gran cantidad de agua.
El agua es el mejor y más abundante disolvente conocido. Como tal, proporciona el medio para el movimiento de moléculas tanto en el interior celular como entre células, e influye notablemente en la estructura de las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos y otros componentes celulares. El agua es el medio en que se producen la mayoría de las reacciones bioquímicas de la célula y participa directamente en numerosas reacciones químicas esenciales.
Las plantas están absorbiendo agua y perdiendo agua continuamente. La mayoría del agua que pierde la planta se evapora desde las hojas al mismo tiempo que el CO2, necesario para la fotosíntesis, es absorbido de la atmosfera. En un día caluroso, soleado o seco, una hoja puede intercambiar el 100% de su agua en solo una hora. Durante su vida, una planta puede perder equivalente a 100 veces su peso fresco en agua a través de sus hojas. Este proceso de perdida de agua desde la superficie de la hoja se denomina transpiración. La transpiración es una forma importante de disipar el calor que la planta absorbe del sol. El calor se disipa porque las moléculas de agua que escapan a la atmosfera tienen una energía mayor que la media, por lo que se rompen los enlaces que la mantienen en la fase liquida. Cuando estas moléculas se liberan, dejan detrás una masa de moléculas de agua con una energía más baja que la media, y, por tanto, una masa de agua más fría. Para una hoja típica, cerca de la mitad del calor absorbido del sol es disipado por transpiración. Además, la corriente de agua captada por las raíces es una forma importante de aportar a la superficie radical minerales disueltos del suelo para su absorción.
De todos los recursos que la planta necesita para crecer y funcionar, el agua es el más abundante, y al mismo tiempo, el más limitante de la productividad agrícola. El hecho de que el agua sea un factor limitante es la razón por la cual se riegan los cultivos. Del mismo modo, la disponibilidad de agua limita la productividad de ecosistemas naturales. Por todo ello, la compresión de los procesos de absorción y perdida de agua es de gran importancia.
Pronto veremos cómo la ósmosis impulsa el movimiento del agua a través de las membranas. Primero, no obstante, analizaremos el concepto de fuerza impulsora compuesta o total, que representa el gradiente de energía libre del agua.
Pronto veremos cómo la ósmosis impulsa el movimiento del agua a través de las membranas. Primero, no obstante, analizaremos el concepto de fuerza impulsora compuesta o total, que representa el gradiente de energía libre del agua.
Pronto veremos cómo la ósmosis impulsa el movimiento del agua a través de las membranas. Primero, no obstante, analizaremos el concepto de fuerza impulsora compuesta o total, que representa el gradiente de energía libre del agua.
Las sustancias elegidas en la tabla indican que no sólo se habla de potenciales químicos cuando se trata de sustancias químicas bien definidas, sino también cuando se habla de sustancias cotidianas.
La condición previa para especificar el valor del potencial μ de una sustancia, es conocer la fórmula química, la cual indica su composición y es requerida para todos los cálculos. Por ésta razón esta fórmula no debe faltar en este tipo de tablas. Sin embargo el valor del potencial químico de una sustancia pura también depende de su estado de agregación, de su estructura cristalina etc. Por ejemplo, el agua líquida y el vapor de agua, así como el diamante y el grafito tienen diferentes potenciales químicos a la misma temperatura y presión. Para que los valores de μ sean indicados inequívocamente respecto al estado de agregación de una sustancia dada, se debería adicionar |s, |l, |g, a las fórmulas. Las modificaciones pueden ser descritas por medio del correspondiente nombre como grafito, diamante etc.
Las sustancias elegidas en la tabla indican que no sólo se habla de potenciales químicos cuando se trata de sustancias químicas bien definidas, sino también cuando se habla de sustancias cotidianas.
La condición previa para especificar el valor del potencial μ de una sustancia, es conocer la fórmula química, la cual indica su composición y es requerida para todos los cálculos. Por ésta razón esta fórmula no debe faltar en este tipo de tablas. Sin embargo el valor del potencial químico de una sustancia pura también depende de su estado de agregación, de su estructura cristalina etc. Por ejemplo, el agua líquida y el vapor de agua, así como el diamante y el grafito tienen diferentes potenciales químicos a la misma temperatura y presión. Para que los valores de μ sean indicados inequívocamente respecto al estado de agregación de una sustancia dada, se debería adicionar |s, |l, |g, a las fórmulas. Las modificaciones pueden ser descritas por medio del correspondiente nombre como grafito, diamante etc.
Las sustancias elegidas en la tabla indican que no sólo se habla de potenciales químicos cuando se trata de sustancias químicas bien definidas, sino también cuando se habla de sustancias cotidianas.
La condición previa para especificar el valor del potencial μ de una sustancia, es conocer la fórmula química, la cual indica su composición y es requerida para todos los cálculos. Por ésta razón esta fórmula no debe faltar en este tipo de tablas. Sin embargo el valor del potencial químico de una sustancia pura también depende de su estado de agregación, de su estructura cristalina etc. Por ejemplo, el agua líquida y el vapor de agua, así como el diamante y el grafito tienen diferentes potenciales químicos a la misma temperatura y presión. Para que los valores de μ sean indicados inequívocamente respecto al estado de agregación de una sustancia dada, se debería adicionar |s, |l, |g, a las fórmulas. Las modificaciones pueden ser descritas por medio del correspondiente nombre como grafito, diamante etc.
La energía libre, al igual que algunas otras propiedades termodinámicas de un sistema, depende de la composición, es decir, del número de moles de cada componente. Para cualquier propiedad extensiva de un sistema, tal como volumen, energía, entropía, energía libre, etc., se define un valor molar parcial que expresa cómo dicha propiedad depende de los cambios experimentados en la cantidad de cada componente. Por ejemplo, se define el volumen molar parcial del componente i en la fase f, a la variación que sufre el volumen del sistema por unidad de mol de dicho componente cuando su número de moles, ni, se modifica infinitesimalmente, manteniendo constantes el resto de las variables.
La energía libre, al igual que algunas otras propiedades termodinámicas de un sistema, depende de la composición, es decir, del número de moles de cada componente. Para cualquier propiedad extensiva de un sistema, tal como volumen, energía, entropía, energía libre, etc., se define un valor molar parcial que expresa cómo dicha propiedad depende de los cambios experimentados en la cantidad de cada componente. Por ejemplo, se define el volumen molar parcial del componente i en la fase f, a la variación que sufre el volumen del sistema por unidad de mol de dicho componente cuando su número de moles, ni, se modifica infinitesimalmente, manteniendo constantes el resto de las variables.
De la misma manera se puede definir la energía libre de Gibbs molar parcial de un componente, al que se denomina potencial químico, mi. Si, como ya se dijo anteriormente, la energía libre de Gibbs representa la capacidad del sistema de realizar trabajo distinto al de expansión, el potencial químico de un componente i es la modificación de dicha capacidad de realizar trabajo por unidad de mol de dicho componente, cuando se modifica infinitesimalmente la cantidad de moles, ni.
De este modo, la energía libre de Gibbs de un sistema multicomponente depende de la composición además de la temperatura y de la presión. Para una fase de composición variable:
Consideremos ahora un sistema de dos fases en donde se transfiere una cantidad infinitesimal de componente i desde la fase b a la fase a, manteniendo constantes la temperatura, T, la presión, P y la composición de los otros componentes. El cambio total en energía libre, dG, se podrá expresar del modo tal y como muestra la figura y, puesto que se mantienen todas las demás variables en valores constantes, lo ganado por la fase a será igual a lo cedido por la fase b, puesto que, en el equilibrio, dG = 0.
De la misma manera se puede definir la energía libre de Gibbs molar parcial de un componente, al que se denomina potencial químico, mi. Si, como ya se dijo anteriormente, la energía libre de Gibbs representa la capacidad del sistema de realizar trabajo distinto al de expansión, el potencial químico de un componente i es la modificación de dicha capacidad de realizar trabajo por unidad de mol de dicho componente, cuando se modifica infinitesimalmente la cantidad de moles, ni.
De este modo, la energía libre de Gibbs de un sistema multicomponente depende de la composición además de la temperatura y de la presión. Para una fase de composición variable:
Consideremos ahora un sistema de dos fases en donde se transfiere una cantidad infinitesimal de componente i desde la fase b a la fase a, manteniendo constantes la temperatura, T, la presión, P y la composición de los otros componentes. El cambio total en energía libre, dG, se podrá expresar del modo tal y como muestra la figura y, puesto que se mantienen todas las demás variables en valores constantes, lo ganado por la fase a será igual a lo cedido por la fase b, puesto que, en el equilibrio, dG = 0.
