(TLDR: esta pregunta necesita una buena definición de reversible. Hablando termodinámicamente: proceso reversible = / = un proceso que puede revertirse. Las reacciones termodinámicamente reversibles parecen bastante imposibles en compartimentos individuales, si no permitimos que el medio ambiente suministre y extraiga energía , pero dadas las condiciones adecuadas, son posibles para múltiples compartimentos. Si somos más flexibles para las condiciones de nuestro entorno, es posible en un solo compartimento para cualquier reacción química).
Hay una diferencia importante entre un proceso irreversible y si un proceso puede revertirse o no. Como Brian Bi señaló muy bien, puede, por supuesto, revertir el proceso de una reacción química. La razón por la que ocurre una reacción química neta en primer lugar es porque hay una fuerza motriz termodinámica para que ocurra la reacción. Por ejemplo, es energéticamente favorable o aumenta la entropía. Cuando está en equilibrio, no existe tal fuerza impulsora, y la reacción hacia atrás y hacia adelante se equilibra en promedio (hay algunas fluctuaciones, por supuesto). Una forma de revertir el proceso químico es simplemente cambiando el estado del sistema, cambiando la (s) fuerza (s) motriz (s) para que se cambie el equilibrio. En ese sentido, puede revertir una reacción química, imponiendo las modificaciones necesarias para el estado de su sistema (por ejemplo, cambiar la temperatura, presión, volumen, número de partículas, etc.).
El proceso de terminología irreversible se refiere a un proceso que no se puede revertir sin cambiar el estado termodinámico del sistema y sus alrededores, el cambio de entropía es distinto de cero. Otra forma de afirmar esto es que necesitamos energía para restaurar nuestro sistema a su estado inicial, incluso si tuviéramos que revertir la situación mediante cambios infinitesimales de las variables de estado. En este sentido, su conferencia es correcta al abordar que para una reacción química, esto es algo muy poco trivial.
Ahora, a menudo hablamos de una ‘reacción reversible’. Es un término un tanto engañoso, ya que típicamente, las reacciones no son ‘procesos termodinámicamente reversibles’ a escala macroscópica. Por supuesto, se refiere a reacciones que producen una mezcla de equilibrio de productos y reactivos, de los cuales ambos pueden observarse en cantidades apreciables en las condiciones adecuadas. Sin embargo, no dice que revierta el proceso con la misma facilidad sin gastar energía.
En general, la confusión surge con el uso del término irreversible. Mientras su conferencia hable de termodinámicamente irreversible, es cierto que, a mi leal saber y entender, tales reacciones no existen a escala macroscópica.
Para dar una idea de lo que equivaldría, primero daré un ejemplo muy simple de un proceso reversible:
imagine dos pistones con una pequeña pared semipermeable entre ellos y que tengan respectivamente V1 y V2 como sus volúmenes e igual presión. Siempre que mantengamos los pistones a la misma separación (es decir, volumen total constante)
y moverlos infinitamente lentamente (sin caída de presión), tenemos un proceso reversible en el que podemos cambiar V1 y V2, pero su suma está restringida.
Ahora deberíamos comenzar a hacer uso de esta idea para observar las reacciones.
En primer lugar, veamos una reacción en un solo compartimento en equilibrio y veamos dónde falla. Las concentraciones de equilibrio de todos los reactivos están determinadas por la constante de equilibrio K, que a su vez está determinada por los potenciales químicos de sus reactivos como: K = exp (- [matemáticas] \ Delta \ mu [/ matemáticas] / kb T) con kb Constante de Boltzmann y T la temperatura. Esta K tiene la forma de K = Na ^ ma * Nb ^ mb * … Nx ^ mx. Donde N se refiere a una concentración de reactivo indexada con a, b etc. ym (indexada nuevamente con a, b, etc.) alguna potencia. Vemos que las soluciones son bastante limitadas, dadas las condiciones iniciales para la concentración de reactivo, por lo general no podemos obedecer a K cambiando continuamente algunas concentraciones. Por lo tanto, también necesitamos cambiar lentamente K para que tenga lugar alguna reacción (aunque infinitamente lenta). Digamos que de alguna manera podemos controlar los potenciales químicos con un conjunto de botones mágicos y comenzamos a cambiar lentamente nuestro equilibrio. Hacer esto corresponde a un cambio de energía libre de Gibbs [(matemática] \ Delta [/ matemática] G = -RT lnK).
La energía de Gibbs es una variable de estado que es independiente del camino tomado para llegar a su estado. Es decir, sin importar cómo cambie su K, habrá un cambio de energía (que es exactamente [(matemática] \ Delta [/ matemática] G para rutas reversibles infinitamente lentas). Por supuesto, similar a un motor térmico, puede hacer esto infinitamente lento y reabastezca el cambio de energía libre de Gibbs (en forma de calor y trabajo) que ha obtenido mediante el uso de su entorno para revertir el proceso. Esto equivale a hacer química en condiciones controladas, y muy lentamente y debería funcionar de manera bastante general para hacer que cada reacción química sea reversible, pero ¿dónde está la diversión en eso? Para mi discusión, usaré una definición más estricta de un proceso reversible, en el que no se nos permite hacer esto. Este es probablemente el tipo de situación a la que se refiere su conferencia .
En ese caso, hay otros argumentos, vinculados a la discusión antes mencionada, pero basados, por ejemplo, en la entropía de la mezcla, que complican la creación de reacciones que son reversibles en un solo compartimento.
Ahora, vayamos a una situación más análoga a los pistones con una pared semipermeable, es decir, dos compartimentos:
Tenemos la sala 1, con una pared con presión p, y el reactivo A. Tenemos la sala 2, con una pared con presión 2p, y una superficie catalítica que es capaz de convertir A a B (supondremos que A nunca se convertirá a B en la habitación 1). Digamos que B es algo que tiene la misma entropía y entalpía de formación que A, por ejemplo, un enantiómero, atropisómero o algún isómero especial, es decir, K = 1 en todo momento. Separando las dos habitaciones, tenemos una membrana especial, que solo deja pasar A (una muy rígida que está bien unida, por lo que tenemos equilibrio mecánico). La presión parcial de A es la misma en ambas habitaciones ahora, por lo que no se realiza transporte neto. Al igual que en la caja del pistón, podemos mover las paredes infinitamente lentamente, y esto puede desplazar A a la izquierda a A pura, o a la derecha a una mezcla 1: 1 de A y B (puede extender el sistema con más compartimentos, por ejemplo para extraer B puro).
Esto funciona reversible porque el trabajo es cero ([matemática] 2p \ Delta V / 2 = p \ Delta V [/ matemática]) la entropía asociada con la expansión del volumen compensa exactamente la entropía de la mezcla *. Al eliminar un volumen v0 de la sala 2, se produce un volumen 2v0 en la sala 1 y el cambio de entropía n kb ln (2v0 / v0). La entropía de mezcla por átomo es kb ln (2). Puedes convencerte a ti mismo usando la entropía de shannon para esto, o al ver que mezclar A puro y B puro (que tienen la misma entropía y entalpía de formación), es equivalente a hacer que A puro o B puro reaccionen para formar una mezcla.
El caso anterior es un poco especial. Puede extenderlo a N ‘isómeros’ equivalentes (con presión N * p) para la habitación 2 y hacer otras modificaciones divertidas, pero en un sentido más general, la mayoría de las reacciones de dos compartimentos fallan para este enfoque, especialmente dada la gran cantidad de restricciones proporcionado por la reacción y la condición de reversibilidad. Una razón importante por la que funciona el ejemplo anterior es porque no tenemos un equilibrio difusivo (que es: [matemática] \ mu [/ matemática] B1 = [matemática] \ mu [/ matemática] B2) del componente B entre la habitación 1 y la sala 2, ni un equilibrio químico en la sala 1. Esto nos libera de suficientes restricciones para hacer que esto funcione (al menos como un experimento mental).
Tenga en cuenta que para esta discusión he tomado una definición bastante estricta de un proceso reversible en el que se evita cualquier aporte (reversible) de energía por el entorno. Podemos elegir una definición que permita que este tipo de procesos (como en un motor térmico) lleguen a conclusiones diferentes. Lo que es más importante, si podemos extraer reversiblemente el cambio de energía libre de Gibbs y reabastecerlo utilizando los alrededores, cualquier reacción química se vuelve termodinámicamente reversible.
* En este caso, utilizo un gas ideal. Si tuviéramos que usar una gase compuesta de esferas duras, todavía tendríamos la misma entropía de mezcla, pero la proporción de volúmenes no sería 2 debido al volumen constante excluido. Podemos deshacernos de este problema introduciendo un tercer compartimento, o simplemente tener dos reacciones diferentes en contacto en lugar de una expansión en contacto con una reacción.
Una quinasa puede catalizar la adición de un ion fosfato en una proteína y una fosfatasa cataliza la eliminación de un ion fosfato de una proteína. Esto es algo muy bueno, ya que actúa como un interruptor de encendido y apagado para las enzimas. 