EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

Pocas reacciones químicas proceden de una sola reacción. La mayoría son reversibles al menos en cierto grado. Al inicio de un proceso reversible, las reacciones proceden hacia la formación de productos. Tan pronto como se forma algunas moléculas de producto, el proceso inverso se comienza a establecer y las moléculas del reactivo se forman a partir de las moléculas del producto. El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes.

El equilibrio químico es un proceso dinámico. Puede considerarse análogo al movimiento de los esquiadores en un centro de esquí repleto de personas, donde el numero de esquiadores que ascienden por el teleférico es igual al que desciende. Aunque hay un acarreo constante de esquiadores, la cantidad de personas que sube a la cima y la que desciende no cambia.

Obsérvese que en el equilibrio químico participan distintas sustancias como reactivos y productos. El equilibrio entre dos fases de la misma sustancia se denomina equilibrio físico debido a que los cambios que ocurren son procesos físicos. La evaporación de agua en un recipiente cerrado a una temperatura determinada es un ejemplo de equilibrio físico. En este caso, el numero de moléculas H2O que deja la fase liquida y regresa a ella es el mismo:

H2O (l) H2O (g)

El estudio del equilibrio físico proporciona información útil, como la presión del vapor del equilibrio. Sin embargo a los químicos les interesa en particular los procesos de equilibrio químico como la reacción reversible que ocurre entre el Dióxido de Nitrógeno (NO2) y el Tetroxido de Dinitrogeno (N2O4):

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Puede seguirse con facilidad ya que el N2O4 es un gas incoloro, mientras que NO2 tiene un color café oscuro que lo hace visible en el aire contaminado. Suponga que se inyecta N2O4 en un matraz al vació. El color café que aparece de inmediato indica que se ha formado moléculas de NO2. El color se hace mas intenso a medida que continúa la disociación del N2O4 hasta que se logra el equilibrio. Mas halla de este punto no hay cambio evidente de color porque las concentraciones de N2O4 y NO2 permanecen constante. También se puede alcanzar el estado de equilibrio partiendo de NO2 puro. Cuando algunas moléculas de NO2 se combinan para formar N2O4, el color se desvanece. Otra forma de crear un estado de equilibrio es comenzar con una mezcla de NO2 y N2O4 y seguir el curso de la reacción hasta que el color ya no camina. Estos estudios demuestran que la reacción anterior si es irreversible, ya que un componente puro (NO2 y N2O4) reacciona para formar el otro gas. Es importante recordar que en el equilibrio, las conversiones de N2O4 a NO2y de NO2 a N2O4 continua ocurriendo.

LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

Las concentraciones de los gases se expresan en Molaridad y se puede calcular a partir del número de moles de gases presentes al inicio, del número de moles en el equilibrio y de volumen del matraz (en litros). El análisis de los datos en el equilibrio muestra que aunque las reacciones [NO2]/ [N2O4] presenta valores dispersos, la relación

[NO2]2/ [N2O4] tiene un valor casi constante que, en promedio, es 4.63 x 10-3 :

K = [NO2]2 = 4.63 x 10-3 :

[N2O4]

donde K es una constante para la reacción en equilibrio N2O4 (g) 2 NO2 (g) a 250 . Observe que el exponente 2 para el para el valor de [NO2] en esta expresión es igual al coeficiente estequiométrico de NO2 en la reacción reducible.

La Ley de Acción de Masas establece que para una reacción reversible en equilibrio y a una temperatura constante, una relación determinada de concentraciones de reactivos y productos tiene un valor constante K (la constante de equilibrio). Observe que aunque las concentraciones pueden variar, el valor de K para una reacción determinada permanece constante, siempre y cuando la reacción este en equilibrio y la temperatura no cambie.

En consecuencia, la constante de equilibrio se define por un cociente, cuyo numerador se obtiene multiplicando la concentración en equilibrio de los productos, cada una de las cuales esta elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiométrico y la ecuación balanceada. El denominador se obtiene aplicando este mismo procedimiento para las concentraciones de equilibrio de los reactivos. La magnitud de la constante de equilibrio indica si una reacción en equilibrio es favorable a los productos o a los reactivos. Si K es mucho mayor que 1 (esto es, K > 1), el equilibrio se desplazara hacia la derecha y favorecerá a los productos. Por el contrario si la constante de equilibrio es mucho menor que 1

(Es decir, K < 1) el equilibrio se desplazara hacia la izquierda y favorecerá a los reactivos. En este contexto, cualquier numero mayor que 10 se considera que es mucho mayor que 1, y un numero menor que 0.1 significa que es mucho menor que 1.

A pesar de que el uso de los términos “reactivos “y “productos “puede resultar confuso porque una sustancia determinada que es un reactivo y la reacción directa también es un producto de la reacción inversa, esta terminología es consecuente con la conversión de que la sustancia escrita a lado izquierdo de la flecha se considera como “reactivos” y las que están al lado derecho como “producto”.

EQUILIBRIO HOMOGÉNEO

El termino equilibrio homogéneo se aplica a las reacciones en las que todas las especies reaccionantes se encuentran en la misma fase. Un ejemplo de este tipo de equilibrio en fase gaseosa es la disociación del N2O4. La constante de equilibrio, como se presenta en la ecuación es:

K = [NO2]2

[N2O4]

Observe que el subíndice en Ke indica que las concentraciones de las especies reaccionantes se expresan en molaridad (o moles/litros), las concentraciones de reactivos y productos en las reacciones gaseosas también se pueden expresar en términos de sus presiones parciales. A partir de la ecuación se puede observar que a una temperatura constante la presión P de un gas se relaciona en forma directa con la concentración en mol/L del gas; esto es P = (n/V)RT. Así, para el proceso en equilibrio.

se puede describir:

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Kp = P2 NO2

P N2O4

Donde P NO2 Y P N2O4 son las presiones parciales de equilibrio (atmósfera) de NO2 y N2O4 respectivamente. El subíndice en Kp indica que las concentraciones en

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