Equilibrio en procesos físicos

El equilibrio existe en los procesos físicos, al igual que en las reacciones químicas. El equilibrio que surge entre diferentes estados o fases de una sustancia, como sólido, líquido y gas, se denomina así. Echemos un vistazo más de cerca a cómo funciona el equilibrio en los procesos físicos. Las sustancias pasan por una variedad de procesos de cambio de fase, que incluyen Sólido ⇌ Líquido, Líquido ⇌ Gaseoso, Sólido ⇌ Gaseoso. Veamos cómo logran el equilibrio durante cada uno de estos cambios.

Equilibrio en procesos físicos

El equilibrio es el estado de un proceso en el que las propiedades del proceso, como la presión, la temperatura, etc., no cambian a lo largo del tiempo.

Procesos de Equilibrio:

• Proceso quimico
• Proceso físico

El equilibrio se llama equilibrio físico cuando los procesos opuestos implican simplemente cambios físicos.

El equilibrio físico se refiere a un estado de equilibrio que se puede observar en los procesos físicos. Es el estado de equilibrio entre una misma especie química en varias etapas. El equilibrio físico es el estado de estar en equilibrio entre dos o más fases o cualidades físicas. La composición y características químicas no se alteran en estas operaciones. También denota la presencia de la misma sustancia en dos o más estados físicos. Además, el equilibrio físico se puede dividir de la siguiente manera:

• Equilibrio soluto-sólido
• Equilibrio de fase
• Equilibrio gas-líquido

Tipos de equilibrio físico

El equilibrio representa el contenido, así como la composición del elemento de interés de un sistema. No se ve afectado por el paso del tiempo. Además, las velocidades de reacción directa e inversa son siempre idénticas en la condición de equilibrio. Muchos ejemplos se pueden encontrar en nuestro entorno, como un libro sobre una mesa, una solución saturada, compuestos iónicos en disolventes polares, entre otros.

Repasemos ahora en detalle los muchos tipos de equilibrio físico para una mejor comprensión.

• Equilibrio soluto-sólido

Cuando un soluto en una solución saturada interactúa con un soluto no disuelto, la cantidad de moléculas que se depositan fuera de la solución es igual a la cantidad de moléculas que se disuelven del sólido al líquido. Como resultado, los sólidos no disueltos y el soluto en solución están en equilibrio. De este modo,

Soluto(aq) ⇌ Soluto(s)

• Equilibrio de fase

A 0°C, la cantidad de moléculas de agua que se convierten en hielo es igual a la cantidad total de moléculas de agua. Esto se debe a que el hielo se derrite para generar agua líquida. La velocidad a la que se congela el agua será equivalente a la velocidad a la que se derrite el hielo. Como resultado, existirá un equilibrio entre el hielo sólido y el agua líquida. De este modo,

Hielo (s) ⇌ Agua (l)

El equilibrio de fase de la química es un equilibrio extremadamente activo. En un recipiente cerrado, el número de moléculas que se convierten en vapor será igual al número de moléculas que se condensan en el líquido. Como resultado, podemos afirmar que la tasa de evaporación del agua líquida es igual a la tasa de condensación del vapor de agua. La fase líquida está en equilibrio con su fase de vapor de esta manera. Por eso,

Agua (l) ⇌ Agua (g)

• Equilibrio gas-líquido

Gases que no pueden reaccionar con un líquido pero que pueden disolverse en proporción directa a la presión del líquido. El gas dentro del líquido y el gas por encima están en equilibrio en un recipiente cerrado. En los refrescos, por ejemplo, el gas de dirust de carbono en el líquido estará en equilibrio con el gas presente en el espacio vacío del recipiente. Por lo tanto,

Gas (solución) ⇌ Gas (g)

Equilibrio Sólido-Líquido

¿Qué sucede si mantiene el hielo y el agua completamente aislados en un termo a 273 grados Fahrenheit y presión atmosférica? Podemos observar que la masa de hielo y agua no cambia, y la temperatura no cambia, mostrando que el sistema está en equilibrio. Sin embargo, el equilibrio no es estático porque hay mucha actividad en la interfaz hielo-agua. Algunas moléculas de hielo se disuelven en agua líquida, mientras que otras se rompen con el hielo y se adhieren a él. A pesar de este intercambio, la masa de hielo y agua permanece sin cambios. Esto se debe a que, a 273 K y presión atmosférica, las velocidades de las moléculas de hielo que se transfieren al agua y el proceso inverso son equivalentes.

El hielo y el agua están claramente en equilibrio solo a una presión y temperatura específicas. Como resultado, el punto de fusión normal o el punto de congelación normal de cualquier sustancia pura a presión atmosférica se define como la temperatura a la que las fases sólida y líquida están en equilibrio.

Debido a que el sistema de hielo y agua está en equilibrio dinámico, podemos deducir lo siguiente:

1. Ambos procedimientos tienen lugar al mismo tiempo.
2. Ambos procesos tienen lugar al mismo tiempo, lo que da como resultado la misma cantidad de hielo y agua.

Equilibrio líquido-vapor

Probemos el siguiente experimento para comprender mejor esta noción.

Experimento : En una caja transparente con un tubo en U que contenga mercurio, como un manómetro, coloque un agente secante como el cloruro de calcio anhidro durante unas horas. Toda la humedad en la caja será absorbida por esto. Al inclinar la caja hacia un lado, puede eliminar rápidamente el agente secante y reemplazarlo con una placa de Petri llena de agua.

Observación :

1. El mercurio en el manómetro sube lentamente hasta que alcanza un valor constante. Debido a que las moléculas de agua entran en la fase gaseosa, la presión dentro del manómetro aumenta.
2. La caja está inicialmente desprovista de vapor de agua. El volumen de agua en la placa de Petri se reduce a medida que se evapora, mientras que la presión en la caja aumenta.
3. Debido a la condensación del vapor en agua, la tasa de aumento de la presión se reduce con el tiempo.
4. Finalmente, llega a un punto en el que no se produce ni evaporación neta ni condensación.

Conclusión :

1. Cuando la tasa de evaporación es igual a la tasa de condensación, se establece el equilibrio.
2. La presión de vapor de equilibrio del agua se define como la presión que ejercen las moléculas de agua a una temperatura dada cuando están en equilibrio. Con el aumento de la temperatura, la presión de vapor del agua aumenta.

La temperatura a la que el agua empieza a hervir 

Diferentes líquidos tienen diferentes presiones de vapor de equilibrio a la misma temperatura. El líquido volátil con una presión de vapor más alta tiene un punto de ebullición más bajo. Usemos el siguiente experimento para comprender mejor esta noción.

Experimento : se deben exponer al medio ambiente tres placas de Petri que contengan 1 ml cada una de acetona, agua y alcohol etílico. En una habitación más cálida, repita el experimento con diferentes cantidades de líquido.

Observación :

1. El líquido eventualmente se evapora en cada situación.
2. Cada líquido tarda una cantidad diferente de tiempo en evaporarse por completo.

Equilibrio Sólido-Vapor

Para los sólidos que se subliman, se alcanza esta forma de equilibrio. Cuando se coloca yodo sólido en un recipiente cerrado, comienzan a formarse vapores violetas en el recipiente, aumentando en intensidad con el tiempo hasta que alcanza una intensidad constante. En este punto se ha alcanzado el equilibrio, es decir

Tasa de sublimación de I ₂ sólido en vapor ⇌ Tasa de condensación de vapor I _{2 en I 2} sólido

Equilibrio de solución sólida

Suponga que se introduce una cantidad constante de azúcar en un volumen fijo de agua a temperatura ambiente y se agita completamente con una varilla de vidrio. El azúcar continuará disolviéndose, pero eventualmente, no habrá más azúcar para disolver. En cambio, se hunde hasta el fondo. La solución ahora ha alcanzado la saturación y está en un estado de equilibrio. En este punto, a medida que entran en la solución muchas moléculas de azúcar de la superficie del azúcar sin disolver, la solución devuelve la misma cantidad de moléculas de azúcar a la superficie del azúcar sin disolver. Como resultado, la cantidad de azúcar disuelta y la concentración de azúcar en la solución se mantienen constantes.

Tasa de disolución ⇌ Tasa de precipitación

La solubilidad de un sólido en un solvente dado a una temperatura dada se define como la cantidad de sólido en gramos que se disuelve en 100 gramos del solvente para formar una solución saturada a esa temperatura.

Equilibrio de solución de gas

En una botella de agua con gas, se puede encontrar esta forma de equilibrio. Dentro de la botella, hay un estado de equilibrio que es:

CO ₂ (g) ⇌ CO ₂ (solución)

La ley de Henry afirma que la masa de un gas disuelto en una cantidad dada de un solvente a cualquier temperatura es directamente proporcional a la presión del gas sobre el solvente, es decir, m α p o m=Kp

donde K es una constante de proporcionalidad conocida como constante de Henry. Su valor está determinado por la naturaleza del gas, el tipo de líquido y la temperatura.

La presión del gas sobre el líquido en una botella de agua con gas sellada es bastante alta, por lo que la masa del gas disuelto también es muy alta. Tan pronto como se abre la botella, la presión cae a niveles atmosféricos, disminuyendo la solubilidad y permitiendo que escape el gas disuelto.

Disolución de Sólidos o Gases en Equilibrio de Líquidos

• Sólidos en líquidos: ¿Qué sucede cuando se prepara una solución espesa de azúcar disolviendo azúcar a alta temperatura y luego enfriándola a temperatura ambiente? Los gránulos de azúcar, de hecho, se separan. Debido a que no se puede disolver ningún soluto adicional, es decir, azúcar, a una temperatura determinada, la solución espesa de azúcar es una solución saturada. La temperatura influye en la concentración de soluto en una solución saturada. Las moléculas de soluto en estado sólido y en solución en una solución saturada están en equilibrio dinámico. Además, la tasa de disolución del azúcar es igual a la tasa de cristalización del azúcar.
  • Ejemplo : ¿Qué sucede cuando mezclas azúcar radiactivo con azúcar no radiactivo en una solución saturada? Después de un tiempo, notará radiactividad tanto en la solución como en el azúcar sólido. La solución no contiene moléculas de azúcar radiactivas al principio.
• Gases en líquidos: cuando abrimos botellas de refresco, ¿por qué burbujea y hace ruido? Debido a la diferencia de solubilidad del CO ₂ a diferentes presiones, parte del CO ₂ disuelto en él se evapora rápidamente. – es el equilibrio entre las moléculas de CO ₂ en forma gaseosa y las disueltas en un líquido bajo presión.

CO ₂ (gas) ⇌ CO ₂ (solución)

La ley de Henry se encarga de este equilibrio. Afirma que a cualquier temperatura, la masa de un gas disuelto en una cantidad dada de solvente es proporcional a la presión del gas sobre el solvente. A medida que aumenta la temperatura, esta cantidad disminuye. La botella de refresco se sella bajo la presión del gas, que tiene una alta solubilidad en agua. Cuando se abre la botella, se escapa algo de CO ₂ en un intento de restablecer el equilibrio o la presión parcial en el medio ambiente. Cuando una botella de agua con gas se deja abierta por mucho tiempo, se aplana.

Características del Equilibrio en Procesos Físicos

1. Durante el equilibrio en los procesos físicos, los procesos opuestos ocurren al mismo ritmo y existe una condición dinámica pero estable.
2. Solo un sistema cerrado puede establecer el equilibrio en los procesos físicos a una temperatura dada.
3. A una temperatura particular, el equilibrio en los procesos físicos se define por un valor constante de uno de sus parámetros.
4. El tamaño del parámetro mencionado anteriormente en cualquier etapa indica cuánto ha avanzado un proceso físico antes de alcanzar el equilibrio.
5. Todas las propiedades cuantificables del sistema permanecen igual.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué es la constante de equilibrio y qué significa?

Respuesta :

El valor del cociente de una reacción química en el punto de equilibrio químico se conoce como constante de equilibrio. La composición no tendrá una propensión perceptible a cambiar en este momento.

Pregunta 2: Dé cuatro características del Equilibrio en un proceso físico.

Respuesta :

Las características son:

1. Propiedades de la constante del sistema.
2. Dos procesos opuestos serán iguales.
3. Solo alcanza vasos cercanos.
4. El tamaño del parámetro mencionado anteriormente en cualquier etapa indica cuánto ha avanzado un proceso físico antes de alcanzar el equilibrio.

Pregunta 3: Durante el equilibrio, ¿cuáles son dos procesos físicos que se oponen?

Responder:

El equilibrio es el estado de un proceso en el que características tales como la temperatura, la presión y las concentraciones de reactivos y productos en el sistema no cambian con el paso del tiempo. Todo proceso químico o físico tiene dos fuerzas opuestas: una fuerza impulsora y una fuerza opuesta.

Pregunta 4: En química, ¿qué significa equilibrio de fase?

Respuesta :

La cantidad de moléculas de agua que se convierten en hielo a 0°C es igual a la cantidad total de moléculas de agua. Esto se debe al derretimiento del hielo, que produce agua líquida. La velocidad a la que se congela el agua será la misma que la rapidez con la que se derrite el hielo. Como resultado, habrá un equilibrio entre el hielo sólido y el agua líquida. De este modo,

Hielo(s) ⇌ Agua(l)

El equilibrio de fase en química es un equilibrio muy dinámico. El número de moléculas que se transforman en vapor en un recipiente cerrado es igual al número de moléculas que se condensan en líquido. Como resultado, podemos decir que la tasa de evaporación del agua líquida es igual a la tasa de condensación del vapor de agua. De esta forma, la fase líquida y su fase de vapor están en equilibrio. Por lo tanto,

Agua(l) ⇌ Agua(g)