Equilibrio en Procesos Químicos

El equilibrio químico es el estado de un sistema en el que las concentraciones de reactivos y productos no cambian con el tiempo y los atributos del sistema no cambian más.

Las reacciones tienen lugar tanto en dirección directa como inversa. Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son similares en tales procesos, las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes. Se dice que la reacción está en equilibrio químico en este punto. Este equilibrio, por otro lado, se cree que es de naturaleza dinámica. Esto se debe al hecho de que comprende una reacción directa en la que los reactivos reaccionan para producir productos y una reacción inversa en la que los productos pueden reaccionar para producir los reactivos originales.

¿Por qué el Equilibrio Químico se llama Equilibrio Dinámico?

Una etapa de equilibrio se define como el punto en el que la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la respuesta hacia atrás. 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 momento. El mismo equilibrio se puede lograr con los mismos reactivos en condiciones comparables en cualquier parte del mundo, lo que implica que el equilibrio químico es dinámico.

Naturaleza dinámica de los procesos químicos en equilibrio

Eche un vistazo a la siguiente reacción reversible:

A + B ⇌ C+ D

Los productos (C y D) aumentan con el tiempo, mientras que los reactivos (A y B) disminuyen. Como resultado, la velocidad de la reacción de reenvío disminuye mientras que la velocidad de la reacción inversa aumenta. Finalmente, ambas reacciones tienen lugar en el mismo momento, resultando en un estado de equilibrio. Este equilibrio se puede lograr desde cualquier dirección.

Proceso de Haber

Fritz Haber, un químico alemán, inventó un método para producir amoníaco a partir de dinitrógeno y dihidrógeno. Esto se conoce como el proceso de Haber.

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) ⇌ 2NH ₃ (g)

Haber comenzó con proporciones conocidas de dinitrógeno y dihidrógeno, mantuvo la mezcla a alta temperatura y presión y midió la cantidad de amoníaco generado a intervalos regulares. A medida que avanzaba la reacción, vio que la composición de la mezcla permanecía constante, a pesar de la presencia de algunos reactivos. Esto indica que la reacción ha alcanzado el equilibrio.

Además, el método de Haber ejemplifica el carácter dinámico del equilibrio químico de la siguiente manera. Manteniendo los mismos ajustes experimentales que antes, el hidrógeno se sustituyó por deuterio (D ₂ ). Como resultado, en lugar de NH ₃ , se produce ND _{3 .} Se permitió que ambas reacciones, una con H ₂ y la otra con D ₂ , alcanzaran el equilibrio. Cuando estas dos mezclas se mezclaron y se dejaron durante un tiempo, se encontró que la concentración de amoníaco era la misma que antes. A pesar de esto, la espectrometría de masas confirmó que, además del amoníaco, estaban presentes todos los tipos de deuterio y dihidrógeno.

Debido a que los procesos directo e inverso continúan, la mezcla de átomos de H y D debe ser concebible. Si la reacción hubiera terminado cuando alcanzó el equilibrio, no habría habido mezcla de isótopos. Como resultado, las reacciones químicas alcanzan un estado de equilibrio dinámico en el que las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales y no se produce ningún cambio neto en la composición.

El equilibrio químico es bidireccional

Ya sea que comencemos una reacción con reactivos o productos, se puede alcanzar el equilibrio en ambos lados. Fíjate en la siguiente reacción.

H ₂ (g) + I ₂ (g) ⇌ 2HI (g)

Si comenzamos la reacción con concentraciones iniciales iguales de H ₂ e I ₂ , la reacción seguirá adelante, disminuyendo las concentraciones de hidrógeno y yodo y aumentando la concentración de yoduro de hidrógeno hasta alcanzar el equilibrio. Si invertimos la reacción anterior, la concentración de yoduro de hidrógeno cae mientras que las concentraciones de hidrógeno y yodo crecen hasta alcanzar el equilibrio. Como resultado, si el número total de átomos de un elemento en un volumen dado es el mismo, obtenemos la misma mezcla de equilibrio ya sea que comencemos con reactivos o productos.

Condiciones para el Equilibrio

El proceso de lograr el equilibrio químico es dinámico. Incluso después de alcanzar el estado de equilibrio, los procesos directo e inverso continúan ocurriendo. Sin embargo, las velocidades de las reacciones son las mismas en este caso y no hay cambio en las concentraciones relativas de reactivos y productos para una reacción de equilibrio. Los siguientes son los criterios y propiedades de un sistema de equilibrio.

1. El sistema debe estar cerrado, lo que significa que ninguna sustancia puede entrar o salir de él.
2. El equilibrio es algo vivo que respira. Incluso si no podemos ver las reacciones, están ocurriendo tanto reacciones directas como inversas.
3. Las velocidades de las reacciones hacia adelante y hacia atrás deben ser iguales.
4. El número de reactivos y productos no tiene por qué ser el mismo. Sin embargo, una vez que se alcanza el equilibrio, las cantidades de reactivos y productos permanecen constantes.

Ejemplos de equilibrio químico

• La reacción directa en las reacciones químicas convierte los reactivos en productos, mientras que la reacción inversa convierte los productos nuevamente en reactivos. Hay dos estados, reactivos y productos, y ambos existen en diferentes composiciones. 
• Cuando comienza la reacción, las velocidades de las respuestas hacia adelante y hacia atrás pueden volverse iguales después de algún tiempo. 
• Después de esto, el número de reactivos convertidos se creará nuevamente mediante la reacción inversa, lo que no producirá ningún cambio en la concentración de reactivos y productos. Como resultado, los reactivos y productos estarán en un estado de equilibrio químico.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué sucede en el equilibrio químico?

Responder: 

El ritmo de las reacciones de avance y retroceso se iguala en el estado de equilibrio químico, y las concentraciones de productos y reactivos permanecen constantes. Durante un proceso químico reversible, el equilibrio químico ocurre cuando no hay un cambio neto en las proporciones de reactivos y productos. Las reacciones químicas reversibles ocurren cuando los productos, una vez generados, reaccionan con los reactivos iniciales para formar los productos. En equilibrio, ambos procesos opuestos ocurren a la misma tasa o velocidad, y la cantidad de sustancias involucradas no cambia. En equilibrio, ambos procesos opuestos ocurren a la misma tasa o velocidad, y la cantidad de sustancias involucradas no cambia.

Pregunta 2: ¿Qué sucede después de que se alcanza el equilibrio?

Responder:

Cuando se alcanza el equilibrio, las partículas de la solución continuarán viajando sobre la membrana en ambas direcciones. A pesar de que casi un número igual de partículas fluyen en cada dirección, no hay más cambios en la concentración. El equilibrio es el estado de una reacción reversible en el que la velocidad de reacción directa coincide con la velocidad de reacción inversa. A partir de entonces, la reacción no se detiene. Debido a que la disolución es un proceso reversible, si agregamos azúcar al agua indefinidamente, eventualmente no podremos agregar más, pero esto no significa que el azúcar que se agrega no se disuelva en agua; es simplemente el concepto de Equilibrio en ese momento.

Pregunta 3: ¿Qué es el principio de Lechatelier?

Responder:

De acuerdo con el principio de Lechatelier, cualquier cambio en los componentes que afecten la condición de equilibrio compensará o disminuirá el efecto de transformación total. Esta regla es válida tanto para el equilibrio químico como para el físico.

Pregunta 4: ¿Qué sucede con el equilibrio cuando se retira el producto?

Responder:

Si sacamos un reactivo o un producto del estado de equilibrio, el equilibrio cambia para producir más reactivo o producto, respectivamente, para compensar la pérdida. Cuando se elimina un producto de un sistema químicamente equilibrado, el equilibrio cambia para producir más productos a fin de compensar la pérdida en la concentración del producto. Por el contrario, eliminar un reactivo hace que cambie el equilibrio del sistema, lo que permite que se creen más reactivos.