Si un sistema está en equilibrio
En el capítulo 14, “Cinética química”, analizamos los principios de la cinética química, que tratan de la velocidad de cambio, o de la rapidez con que se produce una reacción química determinada. Ahora nos centraremos en el grado en que se produce una reacción y en cómo las condiciones de reacción afectan a las concentraciones finales de los reactivos y los productos. Para la mayoría de las reacciones que hemos analizado hasta ahora, es posible que hayas asumido que una vez que los reactantes se convierten en productos, es probable que permanezcan así. Sin embargo, prácticamente todas las reacciones químicas son reversibles en cierta medida. Es decir, se produce una reacción opuesta en la que los productos reaccionan, en mayor o menor grado, para volver a formar los reactantes. Finalmente, las velocidades de reacción directa e inversa se igualan y el sistema alcanza el equilibrio químicoEl punto en el que las velocidades de reacción directa e inversa se igualan de manera que la composición neta del sistema ya no cambia con el tiempo.
Ejemplos de sistemas de equilibrio
Estamos familiarizados con la idea de que un sistema que experimenta cambios acaba alcanzando el equilibrio. Decimos que un sistema está en equilibrio cuando ya no es posible ningún cambio. Cuando hablamos de cambio, siempre tenemos en mente alguna propiedad concreta. Medimos el cambio en el sistema por la cantidad de cambio en esta propiedad. Cuando la propiedad deja de cambiar, deducimos que el sistema ha dejado de cambiar, y decimos que el sistema ha llegado al equilibrio. Por supuesto, podemos interesarnos por un sistema en el que muchas propiedades sufren cambios. En tales casos, reconocemos que el sistema en su conjunto no puede estar en equilibrio hasta que todas estas propiedades dejen de cambiar.
Por otro lado, también reconocemos que la ausencia de cambios observables no es suficiente para establecer que un sistema está en equilibrio con respecto a todos los posibles cambios que podría sufrir. Sabemos que el hidrógeno se quema fácilmente en el oxígeno para formar agua, pero una mezcla de hidrógeno y oxígeno no sufre ningún cambio en condiciones ordinarias. Esta mezcla invariable no está en equilibrio con respecto a la reacción de combustión. Sólo cuando se introduce un catalizador o una fuente de ignición comienza la reacción.
Cuando un sistema está en equilibrio las concentraciones son iguales o constantes
Cuando una reacción química tiene lugar en un sistema cerrado que impide la entrada o la salida de cualquiera de los componentes que intervienen en la reacción, las cantidades de estas sustancias químicas cambian a medida que unas se consumen y otras se forman.
Con el tiempo, este cambio se detendrá, tras lo cual la composición de la reacción permanecerá inalterada mientras no se perturbe el sistema. Se dice entonces que el sistema está en su estado de equilibrio, o más sencillamente, “en equilibrio”. Una reacción química está en equilibrio cuando no hay tendencia a que cambien las cantidades de reactivos y productos.
Representan el mismo sistema de reacción química en el que los papeles de los componentes se invierten, y ambos dan lugar a la misma mezcla de componentes cuando se completa el cambio. Este último punto es fundamental para el concepto de equilibrio químico. Es indiferente con qué reactivos empecemos; una vez que la reacción se haya completado, las cantidades de estos dos componentes serán las mismas. En general, podemos decir que la composición de un sistema de reacción química tenderá a cambiar en una dirección que lo acerque a su composición de equilibrio. Una vez alcanzada esta composición de equilibrio, no se producirán más cambios en las cantidades de los componentes mientras el sistema permanezca inalterado.
Cuando un sistema está en equilibrio espontáneo
Un sistema está en equilibrio cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales. Si se añade un reactivo adicional, la velocidad de la reacción directa aumenta. Como la velocidad de la reacción inversa no cambia inicialmente, el equilibrio parece desplazarse hacia el lado del producto, o derecho, de la ecuación. A medida que se consume el reactivo adicional, la velocidad de avance disminuye. Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa vuelven a ser iguales, el sistema ha vuelto al equilibrio. Es conveniente pensar que el sistema se desplaza hacia la derecha para eliminar el reactivo añadido.
Aunque un sistema perturbado volverá al equilibrio, no es exactamente el mismo equilibrio que existía antes de aplicar la tensión. Una de las diferencias estará en las concentraciones de los reactivos y los productos. Consideremos el siguiente sistema:
Si añadimos algo de hidrógeno al sistema en equilibrio, el sistema se desplazará hacia la derecha en un intento de eliminar el hidrógeno extra. Se puede demostrar matemáticamente que no podrá eliminar todo el hidrógeno. Por lo tanto, la nueva concentración de hidrógeno en el equilibrio será mayor que en el equilibrio original. La única manera que tiene el sistema de eliminar el hidrógeno es mediante la reacción con el yodo. Por lo tanto, la nueva concentración de yodo en el equilibrio será menor que en el equilibrio original. Cuando el hidrógeno y el yodo reaccionan forman yoduro de hidrógeno, por lo que la concentración de yoduro de hidrógeno será mayor de lo que era en las condiciones de equilibrio originales. Podríamos resumir los efectos en una tabla como la siguiente, en la que se utilizan paréntesis para representar las concentraciones.
