14.1: Equilibrio Dinámico

Una reacción química reversible representa un proceso químico que procede tanto en dirección de avance (de izquierda a derecha) como de retroceso (de derecha a izquierda). Cuando las velocidades de las reacciones hacia delante y hacia atrás son iguales, las concentraciones de las especies de reactivos y productos permanecen constantes con el tiempo y el sistema está en equilibrio. Se utiliza una flecha doble especial para enfatizar la naturaleza reversible de la reacción. Las concentraciones relativas de reactivos y productos en los sistemas en equilibrio varían enormemente; algunos sistemas contienen principalmente productos en equilibrio, algunos contienen principalmente reactivos y otros contienen cantidades apreciables de ambos.

El equilibrio dinámico en las reacciones químicas

Considere la descomposición reversible del tetroxido de dinitrógeno incoloro para producir dióxido de nitrógeno marrón, descrito por la ecuación:

A medida que comienza la reacción (tiempo = 0), la concentración del reactivo N₂O₄ es finita y la del producto NO₂ es cero, por lo que la reacción directa procede a una velocidad finita mientras que la velocidad de reacción inversa es cero. A medida que pasa el tiempo, se consume el N₂O₄ y su concentración disminuye, mientras que se produce NO₂, y su concentración aumenta. La disminución de la concentración del reactivo ralentiza la velocidad de reacción hacia delante y la creciente concentración del producto acelera la velocidad de reacción hacia atrás. Este proceso continúa hasta que las velocidades de reacción hacia delante y hacia atrás se igualan, momento en el que la reacción ha alcanzado el equilibrio. Es importante enfatizar que los equilibrios químicos son dinámicos; una reacción en equilibrio no se “ha detenido”, pero está avanzando en las direcciones hacia adelante y hacia atrás al mismo ritmo. Así, en equilibrio, las concentraciones de N₂O₄ y de NO₂ ya no cambian porque la velocidad de formación de NO₂ es exactamente igual a la velocidad de consumo de NO₂, y la velocidad de formación de N₂O₄ es exactamente igual a la tasa de consumo de N₂O₄.

Equilibrios homogéneos y heterogéneos

Un equilibrio homogéneo es aquel en el que todos los reactivos y productos (y cualquier catalizador, si procede) están presentes en la misma fase, ya sea acuosa o gaseosa, como se ilustra en los siguientes ejemplos:

Un equilibrio heterogéneo implica reactivos y productos en dos o más fases diferentes, como se ilustra en el siguiente ejemplo:

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 13.1 Equilibrio químico.

Una reacción química reversible es aquella en la que la conversión de reactivos en productos y la conversión de productos nuevamente en reactivos ocurren simultáneamente. Una flecha doble entre los reactivos y los productos indica su naturaleza reversible. Cuando la velocidad de formación de los productos, o la velocidad de reacción directa, es igual a la velocidad de formación de los reactivos, o la velocidad de la reacción inversa, se logra el equilibrio químico.

El equilibrio químico es de hecho un proceso dinámico. Desde el exterior, todo el sistema parece estático;sin embargo, a nivel molecular, es muy activo. Considere la descomposición térmica del pentacloruro de fósforo.

Cuando se calienta en un recipiente cerrado, el pentacloruro de fósforo gaseoso se descompone en una mezcla de tricloruro de fósforo y cloro gaseoso en una reacción reversible. A medida que avanza la reacción, la concentración de pentacloruro de fósforo disminuye mientras que el tricloruro de fósforo y el gas cloro aumentan. Como resultado, la velocidad de la reacción directa disminuye y la de la reacción inversa aumenta.

Finalmente, las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y el sistema alcanza el equilibrio químico. En este estado, las concentraciones relativas de pentacloruro de fósforo, tricloruro de fósforo, y cloro ya no cambian. Este estado de equilibrio también se llama equilibrio dinámico porque las reacciones directa e inversa continúan ocurriendo, pero a la misma velocidad.

Dado que los reactivos y productos se forman a la misma velocidad a la que se consumen, sus concentraciones permanecen constantes, aunque no necesariamente iguales. Un equilibrio químico es homogéneo si todos los reactivos y productos en una reacción reversible dada están en la misma fase, ya sea gaseosa o acuosa. En un equilibrio heterogéneo, los reactivos y productos existen en diferentes fases.