Universidad del Valle de México Coyoacán

Equilibrio Químico

El equilibrio químico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo. Así pues, si tenemos un equilibrio de la forma:

a A + b B= c C + d D

Se define la constante de equilibrio Kc como el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, para cada temperatura.

EFECTO DE UN CAMBIO DE LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO.

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la presión, y el efecto de la concentración. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier, que dice lo siguiente: si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo ( temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación.

  • Efecto de la temperatura: si una vez alcanzado el equilibrio, se aumenta la temperatura, el equilibrio se opone a dicho aumento desplazándose en el sentido en el que la reacción absorbe calor, es decir, sea endotérmica.
  • Efecto de la presión: si aumenta la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa.
  • Efecto de las concentraciones: un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.
Kc y Kp

Para proceder a relacionar la Kc y la Kp debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas en la mezcla vale:

pi = (ni R T) / V = Ci R T

Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante Kc. De esta manera llegamos a la expresión:

Kp = Kc (R T )An

Donde la An es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos.

TERMODINAMICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

Al estudiar un proceso, ya sea físico o químico, es necesario acotarlo en el espacio. Un sistema termodinámico es una parte del universo que es separada arbitrariamente del resto mediante límites definidos para hacerla objeto de alguna investigación.

Sistema: un conjunto de partes o elementos, organizadas o relacionadas que interactúan entre sí para lograr un objetivo, los sistemas reciben, energía, materia o datos del medio y entregan información, energía o materia.

Por lo que podemos comprender a un sistema como:

  • Un conjunto de elementos
  • Dinámicamente relacionados
  • Formando una actividad
  • Para alcanzar un objetivo
  • Operando sobre datos/energía/materia
  • Para proveer información/energía/materia

Características de los Sistemas

Sistema es un todo organizado y complejo; un conjunto o combinación de cosas o partes que forman un todo complejo o unitario. Es un conjunto de objetos unidos por alguna forma de interacción o interdependencia. Los límites o fronteras entre el sistema y su ambiente admiten cierta arbitrariedad.
Según Bertalanffy, sistema es un conjunto de unidades recíprocamente relacionadas. De ahí se deducen dos conceptos: propósito (u objetivo) y globalismo (o totalidad).
  • Propósito u objetivo: todo sistema tiene uno o algunos propósitos. Los elementos (u objetos), como también las relaciones, definen una distribución que trata siempre de alcanzar un objetivo.
  • Globalismo o totalidad: un cambio en una de las unidades del sistema, con probabilidad producirá cambios en las otras. El efecto total se presenta como un ajuste a todo el sistema. Hay una relación de causa/efecto. De estos cambios y ajustes, se derivan dos fenómenos: entropía y homeostasia.
  • Entropía: es la tendencia de los sistemas a desgastarse, a desintegrarse, para el relajamiento de los estándares y un aumento de la aleatoriedad. La entropía aumenta con el correr del tiempo. Si aumenta la información, disminuye la entropía, pues la información es la base de la configuración y del orden. De aquí nace la negentropía, o sea, la información como medio o instrumento de ordenación del sistema.
  • Homeostasia: es el equilibrio dinámico entre las partes del sistema. Los sistemas tienen una tendencia a adaptarse con el fin de alcanzar un equilibrio interno frente a los cambios externos del entorno.

    Una organización podrá ser entendida como un sistema o subsistema o un supersistema, dependiendo del enfoque. El sistema total es aquel representado por todos los componentes y relaciones necesarios para la realización de un objetivo, dado un cierto número de restricciones. Los sistemas pueden operar, tanto en serio como en paralelo.

Tipos de sistemas

De acuerdo a su naturaleza los sitemas pueden ser clasificados de la siguiente manera:

SISTEMA ABIERTO: presentan intercambio con el ambiente, a través de entradas y salidas. Intercambian energía y materia con el ambiente. Son adaptativos para sobrevivir. Su estructura es óptima cuando el conjunto de elementos del sistema se organiza, aproximándose a una operación adaptativa.
SISTEMA CERRADO : no presentan intercambio con el medio ambiente que los rodea, son herméticos a cualquier influencia ambiental. No reciben ningún recurso externo y nada produce que sea enviado hacia fuera. En rigor, no existen sistemas cerrados. Se da el nombre de sistema cerrado a aquellos sistemas cuyo comportamiento es determinístico y programado y que opera con muy pequeño intercambio de energía y materia con el ambiente. Se aplica el término a los sistemas completamente estructurados, donde los elementos y relaciones se combinan de una manera peculiar y rígida produciendo una salida invariable, como las máquinas.
SISTEMA AISLADO:es cuando no existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores; ¿Cómo encontrarlo si no podemos interactuar con él?. Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximación, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía (calor)salga de él. El universo es un sistema aislado, ya que su diferencial de energía es cero ΔE(0)
SISTEMA ADIABÁTICO. a aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.

SISTEMA TERMODINÁMICO es una parte del Universo que se aísla para su estudio. El sistema termodinamico es parte de la tierra, se da en el agua, en el viento y en las reacciones fisicas y quimicas, por eso se dice que es un sistema universal, porque se da en todos lados, es globalmente proporcional.

Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, o de una manera ideal, cuando se trata de abordar un estudio teórico.

Sistema + Alrededores= Universo

Propiedades Intensivas
Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de molécula.
Propiedades Extensivas
Las propiedades extensivas se relacionan con la estructura química externa; es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etcétera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver más con la estructura química interna de la materia, como la temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración , índice de refracción, entre otros aspectos. depende propiamente del tamaño del sistema

Variación de entalpía

Las reacciones a presión constante ocurren en recipientes abiertos, de modo que la presión atmosférica se mantiene constante sobre el sistema. Se trata de procesos isobáricos, por lo que el calor intercambiado en ellas se denomina “calor de reacción a presión constante”, y es igual a la variación de entalpía, ∆H.

En las reacciones exotérmicas se produce una liberación de energía, lo que se traduce en una disminución de entalpía. ∆H < 0.

En las reacciones endotérmicas, en tanto, se necesita energía para que se produzca la reacción, lo que implica un aumento de la entalpía. ∆H > 0.

Se ha comprobado que el cambio de entalpía depende del estado físico de los reactantes y de los productos. La entalpía estándar de reacción, ∆Hº, es la variación de entalpía en una reacción en que los reactivos están en estado estándar y se transforman en productos en estado estándar.

Las ecuaciones termoquímicas reflejan el estado físico de las sustancias y la entalpía de reacción. Por ejemplo:

2 H2(g) + O2(g) ----------> H2O(l) ∆Hº = - 571,6 kJ

Estos cambios de entalpía corresponden a las ecuaciones tal como están formuladas. Como la entalpía es una propiedad extensiva, si multiplicamos todos los términos de la ecuación por un factor, (en este caso por ½), también la variación de entalpía tendrá que multiplicarse por el mismo factor.

H2(g) + ½ O2(g) -----------> H2O(l) ∆Hº = - 285,8 kJ

Por otra parte, si se invierten los dos miembros de la reacción, es decir, los reactantes pasan a ser productos y los productos a ser reactantes, la variación de entalpía mantiene la magnitud pero cambia el signo.

2H2O(l) ------->2H2(g) + O2(g)

 

©Derechos reservados "Apuntes Científicos" 2011 - 2012