Equilibrio químico

Equilibrio químico

Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabiliza, es decir, se gastan a la misma velocidad que se forman, se llega al equilibrio químico.

Reacciones reversibles

Es aquella donde los productos que se forman reaccionan para producir la mezcla de la reacción original. La reacción directa recibe el nombre de “reacción a la derecha” y la inversa “reacción a la izquierda”.
Un sistema en equilibrio es dinámico, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.

A + B → C + D reacción directa
C + D →A + B reacción indirecta

NaCl_(g) ↔ Na+_(ac) + Cl-_(ac)

Principio de Le Chatelier

El químico francés Henri Le Chatelier en 1888 mencionó lo siguiente: “si un sistema en equilibrio se somete a una perturbación, el sistema tenderá a contrarrestar la perturbación para reestablecer el equilibrio en un nuevo conjunto de condiciones”

1. Efecto de la concentración en el equilibrio
• Cuando la concentración de un reactivo se incrementa, el equilibrio se desplaza hacia la derecha.
• Cuando la concentración de un producto en el lado derecho de la ecuación aumenta, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda.
• Si la concentración de un reactivo o producto disminuye, el equilibrio se desplazará hacia el lado donde esta haya disminuido.

Dada la siguiente reacción indique hacia donde se desplazará el equilibrio

Cl_2(ac) + 2H₂O_(l) ↔ HClO_(ac) + H₃O⁺ + Cl^-_(ac)

1. Cl₂ disminuye [ ] a la izquierda, se beneficia la reacción indirecta
2. H₂O aumenta [ ] a la derecha, se beneficia la reacción directa
3. HClO aumenta [ ] a la izquierda, se beneficia la reacción indirecta
4. H₃O⁺ disminuye [ ] a la derecha, se beneficia la reacción directa
5. Cl^- aumenta [ ] a la izquierda, se beneficia la reacción indirecta

2. Efecto del volumen en el equilibrio
• En las reacciones con gases una disminución en el volumen provoca que la posición del equilibrio se desplace hacia el lado de la reacción con pocas moléculas.
• Si el número de moléculas es igual en ambos lados de la reacción el equilibrio se mantiene.

Dada la siguiente reacción indique hacia donde se desplazará el equilibrio.

CaCO_3(s) ↔ CaO_(s) + CO_2(g)
El equilibrio se desplaza a la izquierda y se beneficia la reacción indirecta

N_2(g) + 3H_2(g) ↔ 2NH_3(g) + 92,5 kj
El equilibrio se desplaza a la derecha y se beneficia la reacción directa

N_2(g) + O_2(g) ↔ 2NO_(g)
El equilibrio se mantiene

3. Efecto de la temperatura en el equilibrio
• Cuando se agrega calor a una reacción se favorece o beneficia el proceso donde se absorbe el calor (proceso endotérmico.
• Si la reacción es endotérmica la reacción directa se incrementa (derecha).
• Si la reacción es exotérmica la reacción inversa se incrementa (izquierda).

C_(s) + CO_2(g) + Calor ↔ 2CO_2(g)
La reacción directa se incrementa

PCl_3(l) + Cl_2(g) ↔ 5PCl_5(g) + 88 kj
La reacción indirecta se incrementa

4. Efecto de los catalizadores en el equilibrio
• Un catalizador no modifica la posición del equilibrio en una reacción, solo afecta la velocidad a la cual se alcanza el equilibrio.
• La energía de activación de una reacción es la energía mínima que se requiere para que la reacción ocurra.

Constante de equilibrio

En una reacción química reversible en equilibrio la concentración de los reactivos y productos es constante. En equilibrio la velocidad de la reacción directa e indirecta es igual, por lo tanto, podemos escribir una expresión de la constante de equilibrio que relacione los productos con los reactivos, para la reacción general:

aA +bB ↔ cC + dD

A una temperatura dada se puede escribir la siguiente expresión de la constante de equilibrio.

$$\mathrm{Keq}=\frac{\left[C\right]{}^{\mathrm{c}}x\left[D\right]{}^{\mathrm{d}}}{\left[A\right]{}^{\mathrm{a}}x\left[B\right]{}^{\mathrm{b}}}$$

Donde:
Keq es la constante a una temperatura fija.
[A,B,C,D] concentraciones en mol/L
a,b,c,d son los coeficientes balanceados

Por ejemplo: Calcular Kc de una reacción

Si se tiene una reacción N_2(g) + 3H_2(g) ↔ 2NH_3(g) a 727 °C y en equilibrio. En estas condiciones el análisis de su contenido muestra que las concentraciones de N₂ = 1,03 mol/L, la de H₂ = 1,62 mol/L y la de NH₃ = 0,102 mol/L, calcular la Kc para esta reacción.

Datos
[N₂] = 1,03 mol/L
[H₂] = 1,62 mol/L
[NH₃] = 0,102 mol/L
Keq = ?

$$\mathrm{Keq}=\frac{\left[N{H}_3\right]{}^2}{\left[N_2\right]x\left[H_2\right]{}^3}$$
$$\mathrm{Keq}=\frac{\left(\mathrm{0,102}\right){}^2}{\mathrm{1,03}x\left(\mathrm{1,62}\right){}^3}=\mathrm{2,38}x10{}^{-3}$$

La constante de equilibrio de la reacción es 2,38 x 10^-3