Vol. 27,  No. 2A, 2010   Otros números


V Taller Iberoamericano de

Enseñanza de la Física Universitaria


 

Introductory chemical dynamics: using the chemical potential from the start

 

Hans U.  Fuchs

 

Center for Applied Mathematics and Physics;  Zurich University of Applied Sciences at Winterthur

Switzerland; hans.fuchs@zhaw.ch

 

 

Recibido el 1/02/09.  Aprobado en versión final el 21/11/10.

 

Sumario.  Los procesos químicos –aquellos asociados con el transporte, variación y reacciones en las sustancias- dan paso a un rico mundo de fenómenos, interesante tanto para los físicos como para los químicos y biólogos.  Históricamente, la abundancia de fenómenos ha conducido a una amplia gama de maneras de describirlos.  Mayormente a través del trabajo de Georg Job, recientemente ha quedado claro que la descripción se puede unificar si el potencial químico se presenta con una relevancia adecuada en los modelos de los cambios químicos.  Para utilizar la fuerza del potencial químico para describir los fenómenos, el concepto debe introducirse desde el principio en cualquier curso de química o química física.  Es igualmente importante motivar su construcción de manera intuitiva y no crear una cantidad derivada laboriosamente de otras aparentemente más básicas.  En este artículo se presentan y discuten un número de fenómenos cuya descripción sugiere la existencia de un concepto unificador de fuerza motriz química.  Utilizando el razonamiento analógico, es decir, comparando descripciones de procesos químicos y teorías de fluidos, electricidad o calor, vemos que la fuerza motriz puede ser concebida como la diferencia de los potenciales químicos de las especies involucradas en el transporte o las reacciones.  Se demuestra como la noción de potencial químico y su diferencia puede conducir a modelos bastante simples, pero poderosos, del cambio químico.

 

Abstract.  Chemical processes -those associated with the transport, change, and reaction of substances- open up a rich world of phenomena which is just as interesting for physics as it is for chemistry or biology.  Historically, the wealth of phenomena has led to a plethora of forms of description.  Largely through the work of Georg Job, it has become clear in recent years that descriptions can be unified if the chemical potential is given its proper relevance in models of chemical change.  To make use of the power of the chemical potential in describing chemical phenomena, the concept should be introduced from the beginning in any course of chemistry or chemical physics.  It is equally important to motivate this construct intuitively and not make it a quantity derived laboriously from other seemingly more basic ones.  In this paper, we present and discuss a number of phenomena whose description suggests the existence of a unifying concept of chemical driving force.  Using analogical reasoning, i.e., by comparing descriptions of chemical processes to theories of fluids, electricity, or heat, we see that the driving force can be conceived of as the difference of the chemical potential of the species involved in transports or reactions.  It will be demonstrated how the idea of the chemical potential and its difference can lead to rather simple yet powerful models of chemical change.

 

Keywords.  Teaching methods in Physics education 01.40.gb, entropy thermodynamics 05.70.-a