Toda reacción química quiere alcanzar la estabilidad o un estado de equilibrio porque las reacciones inestables son de poca o ninguna utilidad en la práctica. El equilibrio hace que la reacción química sea útil para fines prácticos. El equilibrio se puede lograr no solo mediante procesos químicos sino también mediante procesos físicos. Un proceso puede alcanzar un estado de equilibrio antes o después dependiendo de las condiciones en las que se lleva a cabo la reacción y del tipo de reacción, ya sea física o química.
Las reacciones se pueden clasificar en tres categorías dependiendo de la medida en que pueden proceder.
- El primer tipo de reacciones son aquellas que pueden continuar hasta su finalización, lo que significa que las concentraciones de productos formados son mayores, ya que solo queda una cantidad pequeña o nula de reactivos.
- El segundo tipo de reacción es lo opuesto al primero, estas reacciones proceden en menor medida y se deja la mayor parte de la concentración de reactivos y se forma una pequeña cantidad de producto.
- El tercer tipo de reacción es aquella en la que la concentración de reactivos y la concentración de productos están disponibles en cantidades casi iguales.
Por ejemplo, existe un equilibrio entre las moléculas de oxígeno y las proteínas de la hemoglobina y solo debido a este equilibrio es posible el transporte de oxígeno de los pulmones a los músculos y, por lo tanto, los seres humanos están vivos.
¿Qué es Equilibrio?
Equilibrio significa el estado de estabilidad o un estado sin ninguna perturbación física o química. En el contexto del equilibrio químico, se puede definir como un estado en el que la velocidad de las reacciones directa e inversa se igualan y no se observa ningún cambio neto en la reacción.
- Reactivos : Las sustancias que se utilizan para iniciar cualquier reacción química se denominan Reactivos.
- Productos : Las sustancias que se forman tras la finalización de cualquier reacción química se denominan Productos.
Cada vez que ocurre una reacción química, hay un cambio en la cantidad de reactivos, ya que los reactivos siguen disminuyendo y, como resultado, se forman productos y aumenta la cantidad de productos. Después de un período de tiempo particular dependiendo de la reacción, no habrá ningún cambio en los reactivos y productos, este estado es el estado de Equilibrio.
El equilibrio en los procesos físicos se analiza en los títulos siguientes.
Equilibrio Sólido-Líquido
El equilibrio sólido-líquido es un equilibrio de transformación de fase en el que el sólido se convierte en líquido y el líquido se convierte en sólido y cuando esta tasa de conversión se iguala y no se observa ningún cambio visible en el estado sólido y líquido, este estado se denomina sólido-líquido. Equilibrio.
Por ejemplo , un vaso de hielo con un poco de agua se mantiene en un tubo perfectamente aislado, lo que significa que no se producirá ningún intercambio de energía entre el tubo y su entorno. La temperatura dentro del tubo aislado es de casi 0 grados centígrados.
Observación: La cantidad de agua y hielo no cambia con el tiempo. La presión y la temperatura también son constantes en el tubo aislado. Este estado es el Equilibrio Sólido-Líquido. Pero a nivel molecular, el cambio está ocurriendo a medida que el hielo se convierte en agua y los vapores de agua se convierten en hielo, aquí la velocidad de ambos procesos es igual, por eso no se ve un cambio visible.
H 2 O (sólido) ⇌ H 2 O (líquido)
Equilibrio Sólido-Líquido
Equilibrio líquido-vapor
El equilibrio líquido-vapor también es un equilibrio de transformación de fase en el que el líquido se convierte en vapor y los vapores se convierten en líquido y cuando esta tasa de conversión se iguala y no se observa ningún cambio visible en el estado líquido y vapor, este estado se denomina líquido-vapor. Equilibrio de vapor.
Por ejemplo , un vaso de agua caliente se mantiene en un tubo perfectamente aislado, lo que significa que no se producirá ningún intercambio de energía entre el tubo y su entorno. La temperatura del agua es su punto de ebullición significa 100 grados centígrados y se mantiene una presión de 1.013 bar dentro del tubo aislado.
Observación: El agua caliente se mantiene para que los vapores de agua se evaporen y la presión dentro del tubo aumente, pero después de un tiempo la presión disminuirá debido al proceso de condensación. Habrá un estado en el que el proceso de evaporación y condensación ocurrirá a la misma velocidad y este estado es el equilibrio líquido-vapor.
H 2 O (líquido) ⇌ H 2 O (vapor)
Equilibrio líquido-vapor
Equilibrio Sólido-Vapor
El equilibrio sólido-vapor también es un tipo de equilibrio de transformación de fase en el que el sólido se convierte directamente en vapor sin cambiar a la fase líquida y los vapores se convierten en sólidos y cuando esta tasa de conversión se iguala y no se observa ningún cambio visible en el estado sólido y vapor. entonces este estado se llama Equilibrio Sólido-Vapor.
Las sustancias que se sublima directamente al estado de vapor desde el estado sólido son el yodo sólido, el alcanfor, etc.
Por ejemplo , las piezas de yodo sólido se guardan en un tubo de vidrio perfectamente aislado a temperatura y presión ambiente.
Observación: Se observa que el recipiente se llena de vapores de yodo que son de color violeta y la intensidad del color sigue aumentando durante un tiempo después del cual hay un estado después del cual no se ve ningún cambio en el estado sólido del yodo y el vapor. estado de yodo este es el equilibrio Sólido-Vapor.
I 2 (sólido) ⇌ I 2 (vapor)
El experimento anterior también se puede hacer con alcanfor.
Equilibrio Sólido-Vapor
Tipos de equilibrio
Equilibrio Homogéneo
El equilibrio en el que el estado de los reactivos, así como de los productos, es el mismo se conoce como Equilibrio Homogéneo. Significa que si los reactivos de una reacción están en fase gaseosa, los productos también deben estar en fase gaseosa, este tipo de equilibrio es de naturaleza homogénea.
p.ej
N 2 (gas) + 3H 2 (gas) ⇌ 2NH 3 (gas)
Aquí, los reactivos significan que el nitrógeno y el hidrógeno están en fase gaseosa y el producto, que es amoníaco, también está en fase gaseosa, por lo que este es un equilibrio homogéneo.
Equilibrio heterogéneo
El equilibrio en el que el estado de los reactivos y el estado de los productos son diferentes se conoce como equilibrio heterogéneo. Significa que si los reactivos de una reacción están en fase gaseosa, los productos pueden estar en alguna otra fase, este tipo de equilibrio es de naturaleza heterogénea.
p.ej
H 2 O (líquido) ⇌ H 2 O (gas)
La reacción anterior es la reacción de transformación de fase en la que el agua se convierte de fase líquida a fase gaseosa y este tipo de equilibrio se conoce como equilibrio heterogéneo.
Ley del Equilibrio Químico
Para comprender la ley del equilibrio químico, tomemos una reacción reversible que se encuentra en un estado de equilibrio.
R 1 + R 2 ⇌ PAG 1 + PAG 2
R1 y R2 son reactivos y P1 y P2 son productos formados en una reacción química.
Según diferentes investigaciones y experimentos, se ha encontrado que los reactivos y productos de una reacción química que está en equilibrio están relacionados por una reacción de Equilibrio y esto fue propuesto por primera vez por Cato Maximillian Guldberg y Peter Waage en 1864.
Kc = ([P1][P2])/([R1][R2])
K c se conoce como la constante de equilibrio y la ecuación del otro lado se llama expresión constante de equilibrio.
La reacción química anterior es solo para fines de referencia, ya que las reacciones químicas prácticas están balanceadas, lo que también significa que la reacción anterior debe tener coeficientes estequiométricos (estos son generalmente los números que se multiplican en ambos lados, los reactivos y los productos). Entonces, la reacción balanceada es
aR1 + bR2 ⇌ cP1 + dP2
donde a, b, c y d son coeficientes estequiométricos para balancear la ecuación química.
Ahora Kc se puede reescribir como:
Kc = ([P1] c [P2] d )/([R1] a [R2] b )
A una temperatura determinada, multiplicar los productos de una reacción química balanceada junto con su coeficiente estequiométrico dado como potencias y luego dividir el subproducto de la ecuación de los reactivos junto con su coeficiente estequiométrico dado como potencias dará un valor fijo. Esto se conoce como la Ley del Equilibrio Químico.
Constante de equilibrio en sistemas gaseosos
Es más fácil representar la constante de equilibrio (Kc) en términos de presión como Kp cuando las reacciones están en estado gaseoso. Entonces la ecuación del gas se da como,
pV = nRT
p = n/V(RT)
Aquí p es la presión que tiene la unidad pascal y V es el volumen en metros cúbicos y T es la temperatura en Kelvin, n es el número de moles de gas y R es constante que tiene un valor de 0,0831 bar litro / mol Kelvin.
Entendamos por reacción como:
N 2 + 3H 2 ⇌ 2NH 3
En esta reacción, los reactivos y los productos están en fase gaseosa, así que encontremos Kp.
Kp = (p NH3 ) 2 /(p N2 )(p H2 ) 3
= (NH 3 ) 2 (RT) 2 /[N 2 RT][(H 2 ) 3 (RT) 3 ]
= Kc(TR) -2
Está claro que Kp y Kc están relacionados, ahora la ecuación general se puede derivar como,
Kp = Kc(RT) ∇n
Δn representa (número total de moles del lado de los productos) – (número total de moles del lado de los reactivos) en la ecuación química balanceada.
Factor que afecta el equilibrio
El efecto de diferentes factores sobre el equilibrio puede entenderse mediante el principio de Le Chatelier. Establece que un cambio en cualquiera de los factores que determinan las condiciones de equilibrio de un sistema hará que el sistema cambie de tal manera que reduzca o contrarreste el efecto del cambio. Esto es aplicable a todos los equilibrios físicos y químicos.
Concentración
- Cuando se agrega reactivo o producto, de acuerdo con el principio de Le Chatelier, la reacción procederá en la dirección en la que se consumirá el reactivo o producto agregado.
- Cuando se elimina el reactivo o el producto, de acuerdo con el principio de Le Chatelier, la reacción procederá en la dirección en la que se repondrá el reactivo o el producto eliminado.
Presión
- El cambio de presión no afecta el equilibrio en el caso de reacciones en fase sólida y líquida ya que la concentración de sólidos y líquidos no depende de la presión.
- En el caso de los gases, si se aumenta la presión, la dirección de la reacción será opuesta y el equilibrio se desplazará hacia atrás.
La temperatura
- En el caso de reacciones exotérmicas (reacciones que liberan calor y energía cuando se completan) la constante de equilibrio disminuye cuando se eleva la temperatura.
- En el caso de reacciones endotérmicas (reacciones que consumen calor y energía cuando se completan), la constante de equilibrio aumenta a medida que aumenta la temperatura.
Efecto del gas inerte
- La adición de gas inerte a una reacción no afecta el equilibrio siempre que el volumen se mantenga constante porque si el volumen es constante, el gas inerte no podrá cambiar las presiones parciales y, por lo tanto, el equilibrio no se verá afectado.
- En caso de que el volumen no sea constante, el gas inerte cambiará el cociente de reacción solo si el gas participa en la reacción como reactivo o producto.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: Encuentre la constante de equilibrio para la reacción dada N 2 (gas)+ 3H 2 (gas) ⇌ 2NH 3 (gas) a una temperatura de 500 K, cuando las concentraciones son N 2 =2×10 -2 M, H 2 = 4 ×10 -2 M y NH 3 = 1×10 -2 M.
Responder:
Use la reacción constante de equilibrio que es,
Kc = ([P1] c [P2] d )/([R1] a [R2] b )
Por lo tanto,
Kc = ([NH 3 ] 2 )/([N 2 ][H 2 ] 3 )
= (1×10 -2 ) 2 /(2×10 -2 )(4×10 -2 ) 3
= 0.00781 × 10 4
= 78,1
Pregunta 2: Encuentre la constante de equilibrio para la reacción dada PCl 5 ⇌ PCl 3 + Cl 2 a una temperatura de 500 K, cuando las concentraciones son PCl 5 = 1,5 M, PCl 3 = 2 M y Cl 2 = 2 M.
Responder:
Kc = [PCl 3 ][Cl 2 ]/[PCl 5 ]
= [2][2]/[1,5]
= 2,66
Pregunta 3: La constante de equilibrio para la reacción dada: N 2 + O 2 ⇌ 2NO es 2×10 -2 a 300 K.
En presencia de un catalizador el equilibrio se alcanza diez veces más rápido, encuentre la constante de equilibrio en presencia de un catalizador.
Responder:
En este tipo de preguntas, primero intente comprender la pregunta, ya que los catalizadores son los materiales que se utilizan para acelerar los procesos químicos. Si un proceso se completa más rápido, significa que la tasa de reactivos disminuye y la tasa de formación de productos también es más rápida, por lo que, en general, no afectará la constante de equilibrio. Por lo tanto, la constante de equilibrio permanecerá sin cambios.
Pregunta 4: Encuentre la constante de equilibrio para la reacción dada:
N 2 + O 2 ⇌ 2NO a 800 K de temperatura,
cuando las concentraciones son NO = 1×10 -2 M, O 2 = 2×10 -2 M y N 2 = 2×10 -2 M.
Responder:
Kc se puede calcular usando la fórmula:
Kc = [NO] 2 / [N 2 ][O 2 ]
= [1×10 -2 ] 2 /[2×10 -2 ][2×10 -2 ]
= 0,25
Pregunta 5: Escribe dos factores de los que depende la constante de equilibrio (Kc).
Responder:
Los factores de los que depende la constante de equilibrio son:
- La temperatura a la que tiene lugar la reacción.
- La concentración de reactivos.
- La naturaleza de los reactivos significa qué tipo de reactivos son, ya sean ácidos, bases u otros compuestos químicos.
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Artículo escrito por lastbitcoder y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA