Pocas
reacciones químicas se dan en una sola dirección. La mayoría son reversibles,
al menos en cierto grado. Al inicio de un proceso reversible, la reacción lleva
a la formación de productos.
Tan pronto
como se forman algunas moléculas de producto, comienza el proceso inverso:
estas moléculas reaccionan y forman moléculas de reactivo.
El equilibrio
químico se alcanza cuando las rapideces
de las reacciones en un sentido y en otro se igualan, y las
concentraciones de los reactivos y productos permanecen
constantes.
El
equilibrio químico es un proceso dinámico. Se puede comparar con el movimiento
de los esquiadores en un centro de esquí repleto de personas, donde el número
de esquiadores que suben a la montaña por el teleférico es igual al número de
esquiadores que bajan deslizándose.
Aunque
hay un acarreo constante de esquiadores, la cantidad de personas que hay en la
cima y la que está en la base de la ladera no cambia.
Cabe
señalar que en el equilibrio químico participan distintas sustancias como reactivos
y productos. El equilibrio entre dos fases de la misma sustancia se denomina equilibrio
físico porque los cambios que suceden son procesos físicos. La
evaporación de agua en un recipiente cerrado a una temperatura determinada es
un ejemplo de equilibrio físico. En este caso, el número de moléculas de H2O
que dejan la fase líquida y las que vuelven a ella es el mismo:
Aunque el estudio del
equilibrio físico da información útil, como la presión de vapor de equilibrio,
los químicos tienen un interés especial por los procesos químicos en
equilibrio,
como la reacción reversible entre el dióxido de nitrógeno (NO) y
el tetróxido de dinitrógeno (N2O4). El
avance de esta reacción:
Puede seguirse con
facilidad, ya que el N2O4 es un gas incoloro, en tanto que el NO tiene un color café oscuro
que a veces es visible en el aire contaminado.
La constante de equilibrio
En la tabla 10.1 se
muestran algunos datos experimentales para el sistema NO a 25°C. Las
concentraciones delos gases se expresan en molaridad y se pueden calcular a
partir del número de moles de gases presentes al inicio, del número de moles en
el equilibrio y del volumen del matraz (en litros).
Observe que las concentraciones
de equilibrio de NO2 y N2O4 varían dependiendo de las concentraciones iniciales. Podemos
buscar las relaciones presentes entre [NO2] y
[N2O4] en equilibrio al comparar la proporción de sus
concentraciones. La proporción más simple, es decir, [NO2]/[N2O4],
genera valores dispersos. Pero si examinamos otras posibles relaciones
matemáticas, observamos que la proporción [NO2]2/N2O4] en
equilibrio genera un valor casi constante que en promedio es de 4.63 3 10,
sin importar las concentraciones iniciales presentes:
donde K es una
constante. Observe que el exponente 2 para [NO2] en
esta expresión es el mismo que el coeficiente estequiométrico para
NO2 en la reacción reversible.
Este fenómeno puede
ser generalizado con la siguiente reacción al equilibrio:
donde a, b,
c y d son coeficientes estequiométricos de las especies reactivas A,
B, C y D. Para la reacción a una temperatura dada:
donde K es la
constante de equilibrio. La ecuación es la expresión matemática
de la ley de acción de masas, propuesta por los químicos noruegos
Cato Guldberg en 1864. Esta ley establece que para una reacción reversible
en equilibrio y a una temperatura constante, una relación determinada de concentraciones
de reactivos y productos tiene un valor constante K (la constante de
equilibrio).
Observe que, aunque
las concentraciones pueden variar, el valor de K para una reacción dada
permanece constante, siempre y cuando la reacción esté en equilibrio y la temperatura
no cambie. La validez de la ecuación y de la ley de acción de masas quedó
establecida al estudiar muchas reacciones reversibles.
Por consiguiente, la
constante de equilibrio se define mediante un cociente, cuyo numerador se
obtiene multiplicando las concentraciones de equilibrio de los productos,
cada una de las cuales está elevada a una potencia igual a su coeficiente
estequiométrico en la ecuación balanceada. El denominador se obtiene aplicando
este mismo procedimiento para las concentraciones de equilibrio de los reactivos.
La magnitud de la
constante de equilibrio indica si una reacción en equilibrio es favorable a los
productos o a los reactivos.
gracias
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