Para el registro, lo que dijo se aplica a los ácidos fuertes concentrados .
En condiciones de temperatura y presión constantes, los procesos que minimizan una cantidad conocida como energía libre de Gibbs ocurren espontáneamente (aunque pueden ocurrir muy lentamente a baja temperatura). El cambio en la energía libre de Gibbs viene dado por la fórmula:
[matemáticas] \ Delta G = \ Delta U + p \ Delta VT \ Delta S [/ matemáticas]
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Donde U denota energía interna, p – presión, V – volumen, T – temperatura, S – entropía y [matemáticas] \ Delta [/ matemáticas] significa cambio. Como podemos ver, la disminución de la energía interna es favorable, al igual que la disminución del volumen y el aumento de la entropía. En baja presión, el cambio de volumen no tiene un efecto pronunciado, mientras que es importante a alta presión. Del mismo modo, cuánto cambio de entropía afecta el cambio de energía libre de Gibbs depende de la temperatura. Debido a la primera ley de la termodinámica, cualquier cambio de energía interna en un sistema aislado significa que debe haber flujo de calor o trabajo para compensar. Con la convención de signos que estoy usando aquí, la disminución de la energía interna significa que el calor está saliendo del sistema o el sistema realiza el trabajo.
La mezcla de diferentes líquidos está asociada con cambios de energía, entropía y volumen, todos los cuales afectan la energía libre de Gibbs. La entropía aumenta ya que simplemente hay más desorden en una mezcla que en dos líquidos separados. La energía y el volumen están conectados a las interacciones intermoleculares. Si la interacción entre las diferentes moléculas es más fuerte que entre pares de moléculas de cada compuesto, significa una disminución de la energía en la mezcla y generalmente se asocia con una disminución en el volumen, ya que las moléculas que se unen fuertemente significa que también están más cerca una de la otra. . Un ejemplo de esto es la mezcla de agua y etanol, tenemos una disminución visible en el volumen, también hay una disminución en la energía y un aumento en la entropía, todo a favor de la mezcla y estos dos líquidos se mezclan en cualquier proporción que desee. Si intentamos mezclar agua con un solvente no polar como el tolueno, tenemos la situación opuesta: la interacción entre dos moléculas de agua es mucho más fuerte que la que existe entre el tolueno y el agua o incluso dos moléculas de tolueno. Por lo tanto, tenemos un aumento de energía (y probablemente volumen) en la mezcla. Todavía tenemos un aumento en la entropía, pero a temperatura ambiente no es demasiado: todavía tenemos dos líquidos separados, con solo un poco de tolueno disuelto en agua y un poco de agua disuelta en tolueno. Puede agrandar esos pequeños trozos calentando el sistema, de modo que el cambio de entropía afecte más la energía libre de Gibbs y los líquidos se mezclen mejor.
Cuando un ácido fuerte se disuelve en agua, se produce una reacción ácido-base Brønsted:
[matemáticas] \ text {HA} + \ text {H} _2 \ text {O} \ rightleftarrows \ text {H} _3 \ text {O} ^ ++ \ text {A} ^ – [/ math]
donde HA es el ácido fuerte. Esta reacción produce dos iones a partir de dos moléculas dipolares. Las moléculas de agua tienen un momento dipolar alto e interactúan con los iones mucho más fuertemente que con otros dipolos. Junto con la alta energía de la reacción misma, hace que el proceso sea fuertemente exotérmico. Cuanto más fuerte es el ácido, mayor es la diferencia de energía y libera calor. Con ácidos débiles, la diferencia de energía es menor, y el calor puede no ser demasiado. Si estamos mezclando una solución de ácido diluida con agua, todos los iones ya están fuertemente unidos al agua y no hay un efecto de calor apreciable.
Pero esto aún no responde a la pregunta de por qué puede verter uno en el otro pero no al revés. Esto tiene que ver con la hidrodinámica de la mezcla. Los ácidos fuertes concentrados son mucho más densos que el agua y generalmente también mucho más viscosos. Esto significa que cuando se vierte agua en ácido concentrado, el agua permanece en la parte superior y no se mezcla con el ácido muy rápido. Esto significa que el calor solo se libera en un pequeño volumen donde se produce la mezcla y puede hacer que el agua vaya rápidamente al punto de ebullición y más allá. El efecto es que tenemos gotas de agua que brotan y salpican como si se vierten sobre aceite caliente, solo que están tomando gotas de ácido concentrado caliente junto con ellos: confía en mí, no quieres estar cerca cuando esto sucede
Por otro lado, si vierte ácido concentrado en agua, el ácido fluirá naturalmente hacia abajo debido a su mayor densidad y en el camino se mezclará bien con agua mucho menos viscosa. El calor de la mezcla se distribuirá por toda la solución y, si bien puede sentir que se calienta dependiendo de cuánto (y qué tipo de) ácido y agua se mezclen, no ocurrirá nada malo. Se supone que debes revolverlo mientras lo mezclas para que se disuelva más rápido.
En realidad, puede verter agua de forma segura en ácido siempre que sepa lo que está haciendo. Así es como una vez preparé 2 l de solución de ácido sulfúrico al 70%: el vaso con [concentrado] \ text {H} _2 \ text {SO} _4 [/ math] se colocó en un fregadero lleno de agua fría para que funcionara Disipador de calor y estaba vertiendo agua destilada lenta y cuidadosamente en el vaso mientras me aseguraba de remover bien la solución antes de agregar otra pequeña porción de agua.
