El Equilibrio Químico: Constantes, Factores y Reversibilidad

¿Qué es el Equilibrio Químico?

Todas las reacciones tienden a alcanzar un estado de equilibrio en el cual la velocidad de reacción en el sentido de formación de productos es igual a la velocidad de reacción en el sentido opuesto. Este tipo de equilibrio se denomina equilibrio dinámico, pues las reacciones están ocurriendo a pesar de que no se perciben cambios observables en las propiedades macroscópicas ni en las concentraciones de reactivos y productos.

El equilibrio químico es la consecuencia de la reversibilidad de las reacciones: los reactantes generan productos y estos, a su vez, reaccionan dando lugar a los reactantes originales. Después de un tiempo, se observa que las concentraciones de todas las especies permanecen constantes, y se dice que el sistema ha alcanzado el equilibrio químico. En este estado, la reacción no ha cesado, sino que la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa se han igualado. Para llegar a este punto, la velocidad directa disminuye mientras que la velocidad inversa aumenta con el transcurso de la reacción.

Ley de Acción de Masas y Constantes de Equilibrio

Ley de Equilibrio Químico

Para cada reacción reversible existe un estado de equilibrio determinado, que se puede caracterizar mediante la Ley de Acción de Masas: "La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias reaccionantes, elevadas a sus coeficientes estequiométricos".

Constante de Equilibrio (Kc)

La constante de equilibrio (Kc) se calcula a partir de las concentraciones de las especies en el equilibrio y su valor cambia con la temperatura. Es importante destacar que:

• Las especies en estado sólido o líquido puro tienen una concentración constante y, por tanto, no se incluyen en la expresión de la constante de equilibrio.
• Solo se incluyen las especies gaseosas y/o en disolución.

La constante Kc siempre es positiva y su valor nos indica la posición del equilibrio:

• Si Kc > 1: La concentración de productos es mayor que la de reactivos. El equilibrio está desplazado hacia los productos.
• Si Kc < 1: La concentración de reactivos es mayor que la de productos. El equilibrio está desplazado hacia los reactantes.
• Si Kc = 1: La concentración de reactivos es aproximadamente igual a la de productos. El equilibrio no está desplazado significativamente en ninguna dirección.

Constante de Equilibrio (Kp)

En las reacciones en las que intervienen gases, se puede expresar la constante de equilibrio en función de las presiones parciales. La presión total del sistema es igual a la sumatoria de las presiones parciales de cada sustancia gaseosa.

Factores que Afectan el Equilibrio Químico: Principio de Le Chatelier

En un sistema en equilibrio químico, las concentraciones de los reactantes y productos permanecen constantes a una temperatura determinada. Sin embargo, si las condiciones cambian, el equilibrio se desplazará para contrarrestar dicho cambio. Este comportamiento se rige por el Principio de Le Chatelier, que establece:

"Si un sistema en equilibrio se somete a una perturbación o tensión, este evoluciona de manera tal que contrarresta dicha perturbación".

Los principales factores que modifican el equilibrio son la concentración, la presión y la temperatura.

Efecto de la Concentración

Si un sistema se encuentra en equilibrio (Q = Kc) y se produce una perturbación en la concentración de una de las especies, el sistema dejará de estar en equilibrio y tratará de volver a él. Al aumentar la concentración de un reactivo, el equilibrio se desplaza en el sentido que consume dicho reactivo, es decir, hacia la formación de productos.

Efecto de la Presión y el Volumen

En equilibrios gaseosos donde hay un cambio en el número de moles entre reactivos y productos, una modificación en la presión o el volumen alterará el equilibrio. Al aumentar la presión (o disminuir el volumen), aumenta la concentración de todas las especies gaseosas, y el equilibrio se desplaza hacia donde hay menor cantidad de moles gaseosos.

Efecto de la Temperatura

La temperatura es el único factor que, además de desplazar el equilibrio, modifica el valor de la constante de equilibrio (Kc o Kp).

• Al aumentar la temperatura, el sistema se desplaza en la dirección que consume calor, es decir, favorece la reacción endotérmica.
• Al disminuir la temperatura, el sistema se desplaza en la dirección que desprende calor, favoreciendo la reacción exotérmica.

Equilibrios Homogéneos y Heterogéneos

Equilibrio Homogéneo

Se habla de una reacción homogénea cuando tanto los reactivos como los productos se encuentran en el mismo estado físico o fase (por ejemplo, todos gases o todos en disolución acuosa).

Equilibrio Heterogéneo

Si entre las sustancias que intervienen en la reacción se distinguen varias fases o estados físicos (por ejemplo, un sólido reaccionando con un gas), se trata de una reacción heterogénea.

En estos casos, es crucial recordar que la concentración de un sólido o un líquido puro es constante siempre que la temperatura y la presión no varíen. Por lo tanto, para cualquier equilibrio heterogéneo, los valores de las concentraciones de sólidos o líquidos puros se consideran ya incluidos en el valor de la constante de equilibrio (Keq), y sus términos no aparecen explícitamente en la expresión matemática de Keq.