Equilibrio – Sesión 3

Ya sabemos que, en equilibrio, la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. Esto se llama ley de equilibrio. Por ejemplo, la tasa de evaporación y la tasa de condensación del agua son iguales en el equilibrio. La ley de equilibrio describe la relación entre las concentraciones de reactivos y productos en una reacción química reversible en equilibrio. Ahora entenderemos la expresión matemática de la ley de equilibrio.

Tomemos un ejemplo de una reacción reversible. El reactivo A y el reactivo B reaccionan para formar los productos C y D. a, b, c y d representan coeficientes de reacción. Aquí se muestra la expresión de la ley de equilibrio para esta reacción reversible. Kcrepresenta la constante de equilibrio a una temperatura dada.

Derivemos esta expresión matemática de la ley de equilibrio. Para derivar esta expresión, necesitamos comprender la ley de acción de masas. La ley de acción de masas establece que la velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos. Cada reactivo se eleva a la potencia de sus respectivos coeficientes estequiométricos.

Ahora aplicaremos esta ley de acción de masas a una reacción reversible. En cualquier momento dado durante la reacción, la velocidad de la reacción directa es directamente proporcional al producto de la concentración del reactivo A y el reactivo B. El reactivo A y el reactivo B se elevan a la potencia de sus coeficientes. kբrepresenta la constante de velocidad de la reacción directa.

La velocidad de la reacción inversa es directamente proporcional al producto de la concentración de C y D. C y D también se elevan a la potencia de sus coeficientes. kᵣes la constante de velocidad de la reacción inversa.

En el equilibrio, las reacciones directa e inversa ocurren al mismo ritmo. Entonces, en la expresión matemática dada, la velocidad de reacción directa es igual a la velocidad de reacción inversa. Ahora, reorganizaremos esta ecuación para resolver la constante de equilibrio. El término kբdividido por kᵣse combina en una única constante, denotada como K꜀. K꜀se llama constante de equilibrio.

Apliquemos la ley de equilibrio al proceso de Haber Bosch. Es un método industrial utilizado para sintetizar el amoniaco a partir del gas nitrógeno y del gas hidrógeno. Se da la ecuación química balanceada para esta reacción. En esta reacción, una molécula de gas nitrógeno reacciona con tres moléculas de gas hidrógeno para producir dos moléculas de amoníaco.

Se ilustra la expresión de la constante de equilibrio para el proceso de Haber Bosch. En esta expresión, el gas nitrógeno, el gas hidrógeno y el gas amoniaco están entre corchetes. Los corchetes representan la concentración de estos gases.

El valor de la constante de equilibrio nos indica la posición del equilibrio. Indica las concentraciones relativas de reactivos y productos en equilibrio. Si el valor de K꜀es mayor que uno, el equilibrio favorece a los productos. Esto significa que hay una mayor concentración de amoníaco en equilibrio en comparación con el gas nitrógeno y el gas hidrógeno.

Si el valor de K꜀es menor que uno, el equilibrio favorece a los reactantes (predomina la reacción inversa). Esto significa que hay mayores concentraciones de gas nitrógeno y gas hidrógeno en equilibrio en comparación con el amoníaco. Si el valor de K꜀es igual a uno, entonces las cantidades de reactivos y productos son casi iguales en el equilibrio. Esto significa que una cantidad significativa de gas nitrógeno, gas hidrógeno y gas amoniaco se encuentran en equilibrio.

El equilibrio en el que todos los reactivos y productos en una reacción reversible están en la misma fase se llama equilibrio homogéneo. Esto significa que todas las especies involucradas están en fase gaseosa, fase líquida o solución aqueous. Un ejemplo de la reacción de equilibrio homogéneo es la formación de yoduro de hidrógeno. En esta reacción, el hidrógeno, el yodo y el yoduro de hidrógeno están en fase gaseous.

El equilibrio heterogéneo se produce cuando los reactivos y los productos están en fases diferentes. Comúnmente involucra al menos una fase sólida o líquida junto con la especie gaseous o aqueous. Un ejemplo del equilibrio heterogéneo es la evaporación y la condensación del agua. El agua líquida está en equilibrio con el agua gaseous.

Para el equilibrio heterogéneo, las concentraciones de sólidos y líquidos puros permanecen constantes. Sólo pueden cambiar las concentraciones de gases o solutos en las soluciones. En el ejemplo dado, la expresión de la constante de equilibrio incluye sólo la concentración de especies gaseous. Las concentraciones de sólidos puros y líquidos puros no se incluyen en la expresión de la constante de equilibrio. Esto se debe a que no cambian durante el curso de la reacción.

Para reacciones que involucran gases, la constante de equilibrio se puede expresar en términos de presión parcial. Esto se debe a que los gases se miden más convenientemente en términos de presión que de concentración. La expresión de la constante de equilibrio en términos de presión parcial se representa como KP. KPrepresenta la relación entre la presión parcial de los productos y la presión parcial de los reactivos. Cada término de presión parcial se eleva a una potencia igual al coeficiente de la sustancia respectiva.

Consideremos la reacción en fase gaseosa reversible. Según la ley de equilibrio, la expresión para KPEstá ilustrado. PA, PB, PC, PDson las presiones parciales de los gases A, B, C y D, respectivamente. a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos de estos gases.