Equilibrio – Sesión 1

Un sistema cerrado es un sistema termodinámico que permite la transferencia de energía a través de sus límites pero no permite el intercambio de materia con su entorno. En otras palabras, la energía puede fluir dentro o fuera del sistema cerrado, mientras que la masa total del sistema permanece constante. Un ejemplo de un sistema cerrado es una olla con agua hirviendo con tapa. El calor puede entrar y salir de la olla para hervir el agua. La cantidad de agua dentro de la olla permanece igual.

Un sistema abierto permite intercambiar energía y materia con su entorno. En otras palabras, un sistema abierto tiene un flujo libre de materia y energía a través de sus límites. Estos sistemas son más comunes en la naturaleza. A menudo implican interacciones con el medio ambiente. Una olla con agua hirviendo sin tapa es un ejemplo de sistema abierto. En este caso, los vapores de agua pueden escapar y puede entrar aire fresco. Así que, además del intercambio de calor, en este caso también se produce el intercambio de materia.

Un sistema aislado no intercambia energía ni materia con su entorno. Es completamente autónomo. No hay transferencia de calor, trabajo o masa a través de sus límites. Un ejemplo de un sistema aislado podría ser un contenedor aislado, perfectamente sellado y rígido, sin interacción con el entorno externo. Para un sistema aislado, el cambio en la energía interna es cero. Esto se debe a que no hay intercambio de energía con el entorno.

Una reacción reversible es una reacción química que puede ocurrir tanto en dirección directa como inversa. Esto significa que los reactivos pueden formar productos y, al mismo tiempo, los productos pueden reaccionar para formar los reactivos originales. Las reacciones reversibles se indican mediante una flecha doble. Esto indica que la reacción puede tener lugar en ambas direcciones.

Las reacciones reversibles son dinámicas. Esto significa que están cambiando constantemente entre reactivos y productos, dependiendo de las condiciones. La formación de agua a partir de gas hidrógeno y gas oxígeno es un ejemplo de reacción reversible. Otro ejemplo de reacción reversible es la disociación del cloruro de amonio en gas amoniaco y gas cloruro de hidrógeno.

El equilibrio químico es un estado en el que las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales. En el equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes. El sistema no presenta ningún cambio macroscópico a lo largo del tiempo. Consideremos un ejemplo de equilibrio químico que involucra la reacción entre dióxido de nitrógeno y tetróxido de dinitrógeno. En esta reacción reversible, el tetróxido de dinitrógeno está en equilibrio con el gas de dióxido de nitrógeno.

Esta reacción puede ocurrir tanto en dirección directa como inversa. En la reacción directa, el tetróxido de dinitrógeno se descompone para producir dos moléculas de dióxido de nitrógeno. En la reacción inversa, dos moléculas de dióxido de nitrógeno se combinan para formar tetróxido de dinitrógeno.

Hay un exceso de tetróxido de dinitrógeno al inicio de la reacción. A medida que avanza la reacción, algunas de las moléculas de tetróxido de dinitrógeno se descompondrán en moléculas de dióxido de nitrógeno. Al mismo tiempo, a medida que se forman las moléculas de dióxido de nitrógeno, algunas de ellas se combinarán para producir tetróxido de dinitrógeno. Este proceso continúa hasta que la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa se vuelven iguales. Como resultado, se establece un estado de equilibrio químico. El equilibrio químico también se llama equilibrio dinámico. El término dinámica resalta la naturaleza continua de la reacción.

Dibujemos una gráfica para demostrar el equilibrio dinámico de una reacción reversible. La tasa se representa gráficamente en el eje y. El tiempo se representa gráficamente en el eje x. Podemos ver que inicialmente, la velocidad de reacción directa es alta y la velocidad de reacción inversa es casi cero. Pero a medida que pasa el tiempo, la velocidad de reacción hacia adelante comienza a disminuir. Con el paso del tiempo, la velocidad de la reacción inversa aumenta. Llega un punto en el que la velocidad de la reacción directa se vuelve igual a la velocidad de la reacción inversa. Desde este punto hay una línea recta paralela al eje x. Esta línea representa el estado de equilibrio dinámico.

El equilibrio líquido-gas se refiere al estado de equilibrio entre una fase líquida de una sustancia y su fase gaseosa correspondiente en un sistema cerrado. Este equilibrio se produce cuando un líquido y su vapor coexisten en un recipiente cerrado. Hay un intercambio continuo de moléculas entre las fases líquida y gaseosa a través de la evaporación y la condensación.

Primero entendamos la evaporación y la condensación. La evaporación es el proceso por el cual un líquido se transforma en gas. Durante la evaporación, las moléculas en la superficie del líquido ganan suficiente energía cinética para escapar a la fase gaseosa. La condensación es el proceso en el cual las moléculas de gas sufren una pérdida de energía y vuelven a la fase líquida.

En el equilibrio dinámico ocurre lo siguiente:. La tasa de evaporación de las moléculas es igual a la tasa de condensación. Un ejemplo de equilibrio entre líquido y gas es la ebullición del agua. El punto de ebullición del agua es de 100 grados Celsius. En el punto de ebullición, el agua líquida coexiste con el vapor de agua. A esta temperatura y presión, la velocidad de evaporación de las moléculas de agua se vuelve igual a la velocidad de condensación del vapor de agua. Este es el estado de equilibrio dinámico.

El equilibrio sólido-gas se refiere al equilibrio dinámico que ocurre entre la fase sólida de una sustancia y su fase de vapor correspondiente. En este equilibrio, hay un intercambio continuo de moléculas entre la fase sólida y la fase gaseosa a través de la sublimación y la deposición. Entendamos primero la sublimación y la deposición.

La sublimación es el proceso en el cual una sustancia sólida cambia directamente a gas sin pasar por una fase líquida. La deposición es el proceso en el cual un gas se convierte directamente en sólido sin pasar por la fase líquida. En el equilibrio, la velocidad de sublimación de una sustancia es igual a la velocidad de su deposición.

Entendamos el equilibrio entre sólidos y gases con un ejemplo. Cuando el yodo sólido se mantiene en un recipiente cerrado, pasa directamente a la fase gaseosa. Al mismo tiempo, el yodo gaseous se convierte nuevamente en yodo sólido. La velocidad de sublimación del yodo sólido y la velocidad de deposición del yodo gaseous se vuelven iguales. Como resultado, se establece el equilibrio dinámico entre la fase líquida y la fase gaseous del yodo.