Dinámica de Reacciones Químicas: Velocidad y Equilibrio

Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción se define como el cambio en la concentración de los reactivos o los productos por unidad de tiempo.

Factores que Afectan la Velocidad de una Reacción

Diversos factores influyen en la rapidez con la que ocurre una reacción química:

• El estado físico de los reactivos.
• La concentración de los reactivos.
• La temperatura a la que se lleva a cabo la reacción.
• La presencia de un catalizador.
• Las variaciones de presión (especialmente en reacciones gaseosas).

Equilibrio Químico

El equilibrio químico se alcanza cuando la velocidad a la que se forman los productos a partir de los reactivos es igual a la velocidad a la que se forman los reactivos a partir de los productos. En este estado, las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes.

Constante de Equilibrio (Ley de Acción de Masas)

La constante de equilibrio, formulada por Cato Guldberg y Peter Waage (Ley de acción de masas), expresa la relación entre las concentraciones de los reactivos y productos presentes en el equilibrio. Las concentraciones se expresan como presiones parciales para los gases y como molaridades para las disoluciones.

Expresión de la Constante de Equilibrio

Para reacciones en disolución, la condición de equilibrio se representa mediante una ecuación donde las concentraciones de reactivos y productos en equilibrio se relacionan.

Magnitud de las Constantes de Equilibrio

• Si la constante de equilibrio es grande, el numerador (productos) es significativamente mayor que el denominador (reactivos), indicando que el equilibrio favorece la formación de productos.
• Si la constante de equilibrio es pequeña, indica que una mezcla en equilibrio contiene principalmente reactivos.

Cociente de la Reacción

El cociente de la reacción es una expresión que se obtiene al sustituir las concentraciones de reactivos y productos (que no necesariamente están en equilibrio) en la expresión de la constante de equilibrio.

Principio de Le Châtelier

El Principio de Le Châtelier establece que si un sistema en equilibrio es perturbado por un cambio en las condiciones (como temperatura, presión o concentración de alguno de sus componentes), el sistema se desplazará en una dirección que contrarreste el efecto de dicha perturbación, buscando restablecer un nuevo estado de equilibrio.

Formas en las que el Equilibrio Químico se Puede Desplazar

• Por cambios en las concentraciones de reactivos o productos:
  • La adición de una sustancia provoca que la reacción se desplace para consumir parte de la sustancia añadida y restablecer el equilibrio.
  • La remoción de una sustancia induce a la reacción a producir más de esa sustancia para alcanzar un nuevo equilibrio.
• Por cambios en la presión y el volumen:

  Un incremento en la presión total (o una disminución del volumen) en un sistema gaseoso en equilibrio causará un desplazamiento hacia el lado de la reacción que produce un menor número de moles de gas, reduciendo así la presión. Por el contrario, una disminución de la presión (o un aumento del volumen) favorecerá la dirección que produce un mayor número de moles de gas.

• Por cambios en la temperatura:

  La mayoría de las constantes de equilibrio varían con la temperatura. Cuando se añade calor a un sistema en equilibrio (reacción endotérmica), el equilibrio se desplaza en la dirección que consume ese calor (hacia los productos). Si se retira calor (reacción exotérmica), el equilibrio se desplaza en la dirección que libera calor (hacia los reactivos).

Efecto de los Catalizadores

Los catalizadores aumentan la velocidad a la que se alcanza el equilibrio químico al disminuir la energía de activación, pero no alteran la posición del equilibrio ni el valor de la constante de equilibrio.

Energía de Activación

La energía de activación es la energía mínima requerida para que ocurra una reacción química. Las moléculas deben colisionar con la orientación correcta y poseer esta energía mínima para poder reaccionar.