TEMA 5: EL EQUILIBRIO QUÍMICO

TEMA 5: EQUILIBRIO QUÍMICO

Buenos días mis queridos Estudiantes de 4to año!

Reciban un abrazo y mis Bendiciones en este inicio de semana, donde  estaremos desarrollando el último tema correspondiente al tercer lapso: El Equilibrio Químico.

Muchos de los Procesos industriales se desarrollan mediante Reacciones en Equilibrio, especialmente al tratarse de Reacciones homogéneas en estado gaseoso.  De allí la importancia de conocer de qué se trata éste Concepto, los Principios en que se basa y los Factores que afectan al equilibrio de una reacción, los cuales son aprovechados industrialmente para obtener mayor productividad.

Para desarrollar éste Tema, repasemos algunos conocimientos previos...

Reacciones Irreversibles

En la vida diaria observamos que hay transformaciones químicas que son Irreversibles, como por ejemplo la combustión de un fósforo, el cual arde y se transforma en CO2 y vapor de agua + Energía, los cuales no pueden regenerarse nuevamente al fósforo inicial; así como también la cocción de los alimentos.  En estos casos, la reacción termina al agotarse los Reactivos y formarse los Productos.  No es posible recuperar las sustancias iniciales de la reacción.

A  +  B  ---------> C

Ejemplo: Combustión del metano

Pero también existen otras reacciones en las que los Productos son capaces de descomponerse nuevamente y regenerar a las sustancias iniciales...

 Tema 5.1

Reacciones Reversibles

Son aquellas reacciones donde a medida que los Reactivos se transforman en Productos, éstos reaccionan entre sí para formar nuevamente a los reactivos, es decir, la reacción ocurre simultáneamente en los dos sentidos.

 A   <=======>   B  +  C

Ejemplo: La descomposición térmica del Óxido de Mercurio:

2HgO   <====Δ====> 2Hg (l)  + O2 (g)

Óxido de Mercurio                           Mercurio           Oxígeno

El Óxido de Mercurio por acción del calor, se descompone en Mercurio (líquido) y Oxígeno (gaseoso), como se muestra en la siguiente imagen

Al obtenerse el Mercurio y el Oxígeno como Productos de la reacción, éstos interactúan entre sí e inmediatamente reaccionan y se transforman nuevamente en Óxido de Mercurio. De ésta forma se tiene una reacción Reversible.

Este tipo de reacción se representa con dos media flechas que separan a los Reactivos de los Productos:

aA  + bB   <=======>   cC  +  dD

 Donde : 
aA  + bB   --------->   cC  +  dD  :  Es la Reacción Directa (Donde se obtienen los Productos)
cC  +  dD --------->   aA  + bB :  Es la Reacción inversa  (Donde se regeneran los Reactivos)





EL EQUILIBRIO QUÍMICO (o estado de Equilibrio dinámico)

Es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto. Normalmente, este sería el estado que se produce cuando una Reacción reversible evoluciona hacia adelante en la misma proporción que su reacción inversa.

Desde el punto de vista de la Cinética química, se puede decir que es un estado dinámico en donde la Velocidad de la reacción directa e inversa son iguales a una Temperatura determinada.
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Podemos definir entonces al EQUILIBRIO QUÍMICO como un estado dinámico donde la velocidad de formación de los Productos es igual a la Velocidad de regeneración de los Reactivos a una Temperatura dada; por lo tanto, las Concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes.

El equilibrio se puede definir como un estado donde las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes con respecto al tiempo y esto se logra cuando las velocidades de reacción directa e inversa se igualan. 

Las características generales del estado de equilibrio químico son:

 Solo se da en reacciones reversibles

 Las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes.

 Es dinámico, a nivel molecular existen un gran actividad debido a que las

moléculas de reactivos siguen formando productos, y éstas a su vez reaccionan para formar moléculas de reactivos.

 La condición de equilibrio se puede alcanzar a partir de: los reactivos, de los productos o de una mezcla de ambos.

 La velocidades de reacción directa e inversa se igual en el equilibrio.

Tema 5.2: La Constante de Equilibrio Ke

Se puede decir que la Constante de Equilibrio (Ke ) para una reacción química es una Ecuación matemática igual al cociente de dividir el resultado de la multiplicación de las concentraciones de los productos de la reacción elevados a sus respectivos órdenes, entre el resultado de la multiplicación de las concentraciones de los reactivos también elevados a sus respectivos órdenes, bajo condiciones de Temperatura y Presión específicas y constantes.

DEDUCCIÓN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO ( Ke )

Todo Sistema en equilibrio puede ser representado por una Ecuación matemática  que proviene de la Ley de Equilibrio y es única para cada reacción.

Supongamos la reacción genérica:  aA  + bB   <=======>   cC  +  dD

Esta sería la Constante de Equilibrio que corresponde a esa Reacción.

Pero....  ¿ Cómo se obtiene la Constante de Equilibrio de un Proceso químico?

Veamos...

Utilizando las Ecuaciones de Velocidad (que vimos en el Tema anterior), se tiene lo siguiente:

Para la Reacción Directa:   Vd  =  Kd x [A]ᵃ x  [B]ᵇ

Para la Reacción Inversa:   Vi =  Ki x [C]ᶜ x  [D]ᵈ



Ya sabemos que Cuando un Proceso se encuentra en equilibrio, la Velocidad de la Reacción directa Vd es igual a la Velocidad de la Reacción inversa Vi


                      Vd    =  Vi

De donde se obtiene  la siguiente igualdad:


Kd x [A]ᵃ x  [B]ᵇ   =  Ki x [C]ᶜ x  [D]ᵈ


Al relacionar las 2 Constantes de Velocidad, se obtiene una nueva Constante Ke, la cual es la constante de equilibrio


Ke   =  Kd  /  Ki

Sustituyendo las expresiones, se tiene:

Ke   =  [C]ᶜ x  [D]ᵈ  /  [A]ᵃ x  [B]ᵇ  





Donde:
Ke: Es la Constante de Equilibrio del sistema
[A] ;  [B] ; [C] ;  [D] : Son las Concentraciones en Equilibrio de las sustancias participantes
a; b: c; d: Son los órdenes iguales a los coeficientes estequiométricos de cada sustancia.



Esta Ecuación es una expresión matemática que representa el Estado de Equilibrio de un proceso químico, la cual conduce a la Ley de Equilibrio Químico, cuyo enunciado dice así:

"En un Sistema en equilibrio, el producto de las concentraciones de las sustancias resultantes (Productos) ente el producto de las concentraciones de los Reactivos, elevados cada uno de ellos a una potencia igual al número de moles que intervienen en la reacción, es un valor constante para cada Temperatura denominado constante de Equilibrio Ke.

ANÁLISIS GRÁFICO DE UN SISTEMA EN EQUILIBRIO

Para la  formación del ácido Iodhídrico y su descomposición en equilibrio se tiene la siguiente reacción cuya gráfica de concentración vs. tiempo se muestra en la figura:

H2(g)  +  I2(g) <=========>  2HI(g)

Se puede observar como inicialmente Las concentraciones de los Reactivos ( H y I ), son altas;  y a medida que pasa el tiempo se van desgastando hasta lograr mantenerse constantes.  Por el contrario, al inicio, la concentración del producto  (HI ) es cero (porque aún no ha sido producido), pero al avanzar la reacción se va formando, por lo tanto su concentración va aumentando con el tiempo hasta un punto donde permanece constante.  A partir del punto donde las concentraciones de ambos componentes (reactivos y productos) permanecen constantes, se alcanza el Estado de equilibrio químico.

Hasta la próxima clase muchachos...