Cuando las concentraciones de reactivos y productos no cambian con el tiempo, se dice que están en un estado de equilibrio. La estabilidad de ciertos atributos observables, como la presión, la densidad, etc., se puede utilizar para identificar este estado. El equilibrio físico es el equilibrio establecido en los procesos físicos. El equilibrio químico es el estado de estar en equilibrio en un proceso químico.
La temperatura, la presión y la concentración del sistema son factores que afectan el equilibrio. Cuando uno de estos factores cambia, el equilibrio del sistema se rompe y el sistema se reajusta hasta que vuelve al equilibrio. Las siguientes secciones repasan algunos de los aspectos más esenciales que afectan los equilibrios.
Equilibrio químico
El equilibrio químico es el estado de un sistema en el que la concentración del reactivo y la concentración de los productos no cambian con el tiempo y las propiedades del sistema no cambian. Cuando la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa, el sistema alcanza el equilibrio químico.
En el equilibrio químico, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. por lo que se refiere al estado de un sistema en el que las concentraciones de reactivo y producto no fluctúan con el tiempo.
Las propiedades del sistema ya no variarán después de eso y se volverán constantes. Se considera que el sistema está en un estado de equilibrio dinámico cuando las concentraciones de los reactivos y productos no varían debido a la igualdad de las velocidades de las reacciones directa e inversa.
Factores que afectan los equilibrios
Los químicos franceses Le-Chatelier y Braun propusieron ciertas generalizaciones para explicar la influencia de los cambios de temperatura, concentración o presión en el estado de equilibrio de un sistema. Cuando uno de estos parámetros cambia, el equilibrio del sistema se rompe y el sistema se reajusta hasta que vuelve al equilibrio. Principio de Le-Chatelier es el nombre de la generalización.
El principio de Le-Chatelier podría describirse como: «un cambio en cualquiera de los componentes que determinan las condiciones de equilibrio de un sistema moverá el equilibrio de tal manera que el efecto del cambio se reduce o se contrarresta».
El principio es extremadamente útil para pronosticar cualitativamente el efecto de un cambio en la concentración, la presión o la temperatura en un sistema en equilibrio. Tanto el equilibrio químico como el físico se rigen por este principio. La temperatura, la presión y la concentración del sistema son factores que afectan el equilibrio. La siguiente sección repasa algunos de los factores más esenciales que afectan los equilibrios.
Cambio en la concentración
Cuando se altera la concentración de cualquiera de los reactivos o productos en una reacción de equilibrio, la composición de la mezcla de equilibrio cambia para minimizar el efecto del cambio de concentración. Según el principio de Le-Chatelier,
- La reacción que consume la sustancia que se añade, reduce la concentración de los reactivos o productos añadidos.
- La reacción en la dirección que repone la sustancia que se retira reduce la concentración de reactivos o productos eliminados.
Se puede concluir que el aumento de la concentración de una o todas las especies de reactivos hace que el equilibrio se desplace hacia adelante, lo que resulta en la formación de más productos. Cuando la concentración de una o más de las especies de productos aumenta, el equilibrio retrocede, lo que resulta en la formación de más reactivos. Entonces, la composición de la mezcla en equilibrio químico cambia cuando cambia la concentración del reactivo o producto.
Cambio de temperatura
De acuerdo con el principio de Le-Chatelier, si la temperatura de un sistema en equilibrio aumenta, es decir, cuando se suministra calor, el equilibrio se moverá en la dirección del calor agregado. Con un aumento de la temperatura, el equilibrio se moverá en la dirección de una reacción endotérmica. La disminución de la temperatura, por otro lado, desplazará el equilibrio en la dirección de la producción de calor, favoreciendo las reacciones exotérmicas. El efecto de la temperatura sobre el equilibrio químico está determinado por el signo de la reacción de ΔH, según el principio de Le-Chatelier.
- A medida que aumenta la temperatura, la constante de equilibrio de una reacción exotérmica disminuye.
- La constante de equilibrio de una reacción endotérmica aumenta a medida que aumenta la temperatura.
La velocidad de reacción se ve afectada por los cambios de temperatura además de la constante de equilibrio.
Cambio de presión
El volumen cambia, lo que provoca un cambio en la presión. Dado que el número total de reactivos y productos gaseosos ahora es diferente, un cambio en la presión puede afectar la reacción gaseosa. La presión no tiene efecto sobre el equilibrio si el número de moles de reactivos y productos gaseosos no cambia. El cambio de presión tanto en líquidos como en sólidos puede despreciarse en el equilibrio químico heterogéneo, según el principio de Le-Chatelier, porque el volumen de una solución es virtualmente independiente de la presión. Como resultado, el cambio de volumen afecta el equilibrio de la siguiente manera:
- Cuando aumenta la presión, la reacción se invierte porque disminuye el número de moles de gas en el lado del reactivo.
- Cuando se reduce la presión, la reacción avanza porque se reduce el número de moles de gas en el lado del producto.
Cambio de volumen
Dado que un aumento de presión da como resultado una disminución de volumen, el efecto de un cambio de volumen será exactamente el contrario al de un cambio de presión. Como resultado, el cambio de volumen tiene el siguiente efecto sobre el equilibrio:
- Cuando se reduce el volumen de una mezcla gaseosa en equilibrio, el equilibrio se mueve en la dirección de un menor número de moléculas gaseosas.
- Cuando aumenta el volumen de una mezcla gaseosa en equilibrio, el equilibrio se mueve en la dirección de un mayor número de moléculas gaseosas.
Efecto de un catalizador
El equilibrio no se ve afectado por el catalizador. Esto se debe al hecho de que el catalizador favorece tanto las reacciones directas como las inversas por igual. Como resultado, la relación de velocidad directa a inversa permanece sin cambios y no hay un cambio neto en el número relativo de reactivos y productos presentes en el equilibrio. Por lo tanto, un catalizador no tiene efecto sobre la posición de equilibrio.
Como resultado, un catalizador no tiene impacto en el equilibrio químico. Simplemente acelera una reacción. Un catalizador, en general, acelera tanto las reacciones directas como las inversas. Por lo tanto, la reacción alcanza el equilibrio más rápidamente.
En una reacción catalizada o no catalizada, el mismo número de reactivos y productos estará presente en el equilibrio. La presencia de un catalizador simplemente ayuda a la reacción al permitirle progresar a través de un estado de transición de menor energía de los reactivos a los productos.
Efecto de la adición de un gas inerte
Dependiendo de las condiciones, agregar gas inerte al equilibrio tiene los siguientes efectos.
- Adición de gas inerte a volumen constante : cuando se agrega un volumen constante de gas inerte al sistema de equilibrio, la presión total aumenta. Las concentraciones de los reactivos y productos, por otro lado, permanecerán sin cambios. Como resultado, no habrá efecto sobre el equilibrio bajo estas condiciones.
- Adición de gas inerte a presión constante : cuando a presión constante, se agrega un gas inerte al sistema de equilibrio, el volumen aumenta. Como resultado, disminuirá el número de moles por unidad de volumen de varios reactivos y productos. Entonces, el equilibrio se desplazará a favor de un aumento en el número de moles de gases.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: A 27 °C y 127 °C, las constantes de equilibrio de la reacción son 1,6 × 10 -3 y 7,6 × 10 -2 , respectivamente. ¿Es esta una reacción endotérmica o exotérmica?
Responder:
La constante de equilibrio de una reacción endotérmica aumenta a medida que aumenta la temperatura. Dado que las constantes de equilibrio han aumentado con la temperatura de 1,6 × 10 -3 a 7,6 × 10 -2 , la reacción es endotérmica en la dirección de avance.
Pregunta 2: ¿Cuál es el significado del término «Equilibrio dinámico» para el equilibrio químico?
Responder:
Una etapa de equilibrio se define como la etapa en la que la tasa de respuesta directa es igual a la tasa de reacción inversa. El número de moléculas de reactivos que se convierten en productos y de moléculas de productos que se convierten en reactivos es el mismo en este punto. El equilibrio químico es dinámico porque se puede lograr el mismo equilibrio con los mismos reactivos en condiciones idénticas en cualquier lugar con un intercambio continuo de moléculas.
Pregunta 3: Cuando se alcanza el equilibrio, ¿qué sucede con las velocidades de reacción directa e inversa?
Responder:
Cuando se alcanza el equilibrio, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
Pregunta 4: ¿En qué dirección se desplazará la reacción de equilibrio en presencia de un catalizador?
Responder:
La velocidad de las reacciones directa e inversa se ve igualmente favorecida por un catalizador. Como resultado, la presencia de un catalizador no tiene efecto sobre el equilibrio.
Pregunta 5: Si se eleva la temperatura de la siguiente reacción, ¿en qué dirección se desplazará el equilibrio?
N 2 O 4 (g) ⇌ 2NO 2 (g) ΔH=+57.2
Responder:
Este proceso es endotérmico ya que el calor de reacción dado es positivo. Entonces, al aumentar la temperatura, de acuerdo con el principio de Le Chatelier, se desplazará el equilibrio hacia la derecha, produciendo más NO 2 .