13.1 Equilibrio químico - Química 2ed

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Describir la naturaleza de los sistemas de equilibrio
Explicar la naturaleza dinámica de un equilibrio químico

La convención para escribir ecuaciones químicas consiste en colocar las fórmulas de los reactivos a la izquierda de la flecha de reacción y las fórmulas de los productos a la derecha. Según esta convención, y las definiciones de "reactivo" y "producto", una ecuación química representa la reacción en cuestión como si procediera de izquierda a derecha. Las reacciones reversibles, sin embargo, pueden proceder tanto de manera directa (de izquierda a derecha) como inversa (de derecha a izquierda). Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales, las concentraciones de las especies de reactivos y de los productos permanecen constantes en el tiempo y el sistema está en equilibrio. Las concentraciones relativas de reactivos y productos en los sistemas en equilibrio varían enormemente; algunos sistemas contienen mayoritariamente productos en el equilibrio, otros contienen mayoritariamente reactivos y otros contienen cantidades apreciables de ambos.

La Figura 13.2 ilustra los conceptos fundamentales del equilibrio utilizando la descomposición reversible del tetróxido de dinitrógeno incoloro para producir dióxido de nitrógeno marrón, una reacción elemental descrita por la ecuación:

N_{2} O_{4} (g) ⇌ 2 {NO}_{2} (g)

Observe que se utiliza una flecha doble especial para resaltar la naturaleza reversible de la reacción.

Se muestra un diagrama de tres partes etiquetadas como "a", "b" y "c". En la parte a, en la parte superior del diagrama, se muestran tres vasos de precipitado y cada uno contiene un tubo sellado. El tubo del vaso de precipitado de la izquierda está etiquetado como "t es igual a 0". Está lleno de un gas incoloro que está conectado a una vista ampliada de las partículas en el tubo mediante una flecha orientada hacia abajo. Esta vista de partículas muestra siete partículas, cada una compuesta por dos esferas azules conectadas. Cada esfera azul está conectada a dos esferas rojas. Este tipo de partícula está etiquetada como "N subíndice 2 O subíndice 4". El tubo del vaso de precipitado del medio está etiquetado como "pre-equilibrio". Está lleno de un gas de color marrón claro que está conectado a una vista ampliada de las partículas en el tubo mediante una flecha orientada hacia abajo. Esta vista de partículas muestra nueve partículas, cinco de las cuales están compuestas por dos esferas azules conectadas. Cada esfera azul está conectada a dos esferas rojas. Este tipo de partícula está etiquetada como "N subíndice 2 O subíndice 4". Las cuatro restantes están compuestas por dos esferas rojas conectadas a una esfera azul. Este tipo de partícula está etiquetada "N O subíndice 2". El tubo del vaso de la derecha está etiquetado como "en equilibrio". Está lleno de un gas marrón que está conectado a una vista ampliada de las partículas en el tubo mediante una flecha orientada hacia abajo. Esta vista de partículas muestra once partículas, tres de las cuales están compuestas por dos esferas azules conectadas. Cada esfera azul está conectada a dos esferas rojas. Las ocho restantes están compuestas por dos esferas rojas conectadas a una esfera azul. En la parte b, en el centro de la imagen, hay un gráfico. Este gráfico tiene un eje y etiquetado como "Concentración" y un eje x etiquetado como "Tiempo". Una línea roja etiquetada como "N O subíndice 2" comienza en la esquina inferior izquierda del gráfico en un punto etiquetado como "0" y sube cerca del punto más alto del eje y antes de nivelarse y volverse horizontal. Una línea azul etiquetada como "N subíndice 2 O subíndice 4" comienza cerca del punto más alto del eje y y cae por debajo del punto medio del eje y antes de nivelarse. En la parte c, en la parte inferior de la imagen hay otro gráfico. Este gráfico tiene un eje y etiquetado como "velocidad" y un eje x etiquetado como "Tiempo". Una línea roja etiquetada como "k subíndice f, [ N subíndice 2 O subíndice 4 ]", comienza en la esquina inferior izquierda del gráfico en un punto etiquetado como "0", y sube cerca de la mitad del eje y antes de nivelarse y volverse horizontal. Una línea azul etiquetada como "k subíndice f, [ N O subíndice 2 ] superíndice 2", comienza cerca del punto más alto del eje y y baja hasta el mismo punto del eje y que la línea roja antes de nivelarse. El punto en el que ambas líneas se vuelven horizontales está etiquetado como "Equilibrio alcanzado".

Figura 13.2 (a) Un tubo sellado que contiene N₂O₄ incoloro se oscurece a medida que se descompone para producir NO₂ de color marrón. (b) Cambios en la concentración a lo largo del tiempo a medida que la reacción de descomposición alcanza el equilibrio. (c) En el equilibrio, las velocidades de reacción directa e inversa son iguales.

Para este proceso elemental, las leyes de velocidad de las reacciones directa e inversa pueden deducirse directamente de la estequiometría de la reacción:

{tasa}_{f} = k_{f} [N_{2} O_{4}]

{tasa}_{r} = k_{r} [{NO}_{2}]^{2}

Al iniciarse la reacción (t = 0), la concentración del reactivo N₂O₄ es finita y la del producto NO₂ es cero, por lo que la reacción directa procede a una velocidad finita mientras que la velocidad de reacción inversa es cero. A medida que pasa el tiempo, el N₂O₄ se consume y su concentración disminuye, mientras que se produce NO₂ y su concentración aumenta (Figura 13.2b). La disminución de la concentración del reactivo ralentiza la velocidad de reacción directa y el aumento de la concentración del producto acelera la velocidad de reacción inversa (Figura 13.2c). Este proceso continúa hasta que las velocidades de reacción directa e inversa se igualan, momento en el que la reacción ha alcanzado el equilibrio, caracterizado por concentraciones constantes de sus reactivos y productos (áreas sombreadas de la Figura 13.2b y la Figura 13.2c). Es importante subrayar que los equilibrios químicos son dinámicos; una reacción en equilibrio no se ha "detenido", sino que avanza en las direcciones directa e inversa a la misma velocidad. Esta naturaleza dinámica es esencial para entender el comportamiento de equilibrio, tal y como se discute en este y en los siguientes capítulos del texto.

Se muestra a dos personas lanzando mazas de malabarismo de un lado a otro.

Figura 13.3 Un acto de malabarismo de dos personas ilustra el aspecto dinámico del equilibrio químico. Cada persona lanza y atrapa las mazas a la misma velocidad y cada uno tiene un número (aproximadamente) constante de mazas.

Los cambios físicos, como las transiciones de fase, también son reversibles y pueden establecer equilibrios. Este concepto se introdujo en otro capítulo de este texto mediante la discusión de la presión de vapor de una fase condensada (líquida o sólida). Como ejemplo, consideremos la vaporización del bromo:

{Br}_{2} (l) ⇌ {Br}_{2} (g)

Cuando se añade bromo líquido a un recipiente que está vacío y se cierra herméticamente, el proceso directo descrito anteriormente (vaporización) comenzará y continuará a una velocidad aproximadamente constante mientras el área superficial expuesta del líquido y su temperatura permanezcan constantes. A medida que se producen cantidades crecientes de bromo gaseoso, la velocidad del proceso inverso (condensación) aumentará hasta que se iguale a la velocidad de vaporización y se establezca el equilibrio. Una fotografía que muestra este equilibrio de transición de fase se proporciona en la Figura 13.4.

Se muestra un recipiente de vidrio que está lleno de un gas de color marrón anaranjado y una pequeña cantidad de líquido de color naranja oscuro.

Figura 13.4 Un tubo sellado que contiene una mezcla de equilibrio de bromo líquido y gaseoso (créditos: http://images-of-elements.com/bromine.php).