14.7: Principio de le Chatelier: Cambios de Concentración

Un sistema en equilibrio se encuentra en un estado de equilibrio dinámico, con reacciones hacia delante y hacia atrás que tienen lugar a velocidades iguales. Si un sistema en equilibrio es sometido a un cambio en las condiciones que afecta a estas velocidades de reacción de forma diferente (una tensión), las velocidades ya no son iguales y el sistema no está en equilibrio. El sistema experimentará posteriormente una reacción neta en la dirección de una velocidad mayor (un cambio) que restablecerá el equilibrio. Este fenómeno se resume en el principio de Le Châtelier: Si un sistema en equilibrio es sometido a una tensión, el sistema experimentará un cambio en respuesta a la tensión que restablece el equilibrio.

Las velocidades de reacción se ven afectadas principalmente por las concentraciones, como se describe en la ley de velocidad de reacción, y la temperatura, como se describe en la ecuación de Arrhenius. En consecuencia, los cambios en la concentración y la temperatura son los dos estresores que pueden desplazar un equilibrio.

Efecto de un cambio en la concentración

Si un sistema en equilibrio es sometido a un cambio en la concentración de un reactante o de un producto, la velocidad de la reacción directa o inversa cambiará. Por ejemplo, considere la reacción en equilibrio:

Cuando este sistema está en equilibrio, las velocidades de reacción hacia delante y hacia atrás son iguales.

Si el sistema se estresa añadiendo reactivo, ya sea N₂ u O₂, el aumento de concentración resultante hace que aumente la velocidad de la reacción hacia delante, superando la de la reacción inversa:

El sistema experimentará una reacción neta temporal en la dirección de avance para restablecer el equilibrio (el equilibrio cambiará hacia la derecha). Este mismo cambio se producirá si se elimina alguna cantidad de producto, NO, del sistema, lo que disminuye la velocidad de la reacción inversa, lo que de nuevo dará lugar al mismo desequilibrio en las velocidades.

La misma lógica se puede utilizar para explicar el cambio hacia la izquierda que resulta de eliminar el reactivo o añadir producto a un sistema en equilibrio. Ambas tensiones dan como resultado un aumento de la velocidad de la reacción inversa

y una reacción neta temporal en la dirección inversa para restablecer el equilibrio.

Como alternativa a esta interpretación cinética, el efecto de los cambios en la concentración sobre los equilibrios puede racionalizarse en términos del cociente de reacción. Cuando el sistema está en equilibrio,

Si se añade un reactivo (aumentando el denominador del cociente de la reacción) o se elimina el producto (disminuyendo el numerador), Q_c < K_c y el equilibrio se desplazará hacia la derecha. Tenga en cuenta que las tres formas diferentes de inducir esta tensión producen tres cambios diferentes en la composición de la mezcla en equilibrio. Si se añade N₂, el cambio hacia la derecha consumirá O₂ y producirá NO a medida que se restablece el equilibrio, produciendo una mezcla con una concentración mayor de N₂ y NO y una concentración de O₂ menor que la que estaba presente previamente. Si se añade O₂, la nueva mezcla en equilibrio tendrá mayores concentraciones de O₂ y NO y una menor concentración de N₂. Finalmente, si se elimina NO, la nueva mezcla en equilibrio tendrá mayores concentraciones de N₂ y O₂ y una menor concentración de NO. A pesar de estas diferencias en la composición, el valor de la constante de equilibrio será el mismo antes y después de la tensión (según la ley de acción de masas). Se puede aplicar la misma lógica para las tensiones que implican la eliminación de reactivos o la adición de productos, en cuyo caso Q_c > K_c y el equilibrio se desplazará hacia la izquierda.

Este texto ha sido adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 13.3 Cambios de los equilibrios: Principio de LeChatelier.

Un sistema está en equilibrio dinámico cuando la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. Aunque la reacción sigue avanzando en ambas direcciones, las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes. En este punto, si se cambia la concentración de un reactivo o producto por ejemplo, agregando una molécula A adicional o eliminando alguna molécula C, el equilibrio se altera.

Tales cambios son tensiones en el sistema. De acuerdo con el principio de Le Châtelier, cuando un sistema en equilibrio se somete a tensión debido a un cambio de concentración, un cambio de volumen o presión, o un cambio de temperatura, la posición de equilibrio cambia en una dirección para minimizar la tensión y restablecer el equilibrio. Para entender la respuesta de un sistema a los cambios de concentración, considere dos tanques de agua conectados, A y B.Inicialmente, el nivel de agua en los dos tanques es igual y el sistema está en equilibrio.

Luego, se agrega agua al tanque B.Este estrés eleva el nivel del agua en el tanque B y perturba el equilibrio. Para compensar esta tensión, parte del agua fluye hacia el tanque A para restablecer el equilibrio. Por el contrario, si se extrae agua del tanque B, la disminución del nivel de agua también provoca estrés.

En consecuencia, el agua del tanque A fluye hacia el tanque B para restablecer el equilibrio. Para un sistema en equilibrio, el cociente de reacción es igual a la constante de equilibrio. Agregar más reactivos a la mezcla de equilibrio disminuye a Q.De acuerdo con el principio de Le Châtelier, el sistema minimiza esta tensión desplazando la posición de equilibrio hacia los productos para consumir el reactivo añadido y restablecer el equilibrio.

Asimismo, eliminar un producto de la mezcla de equilibrio conducirá a una respuesta similar para restaurar el equilibrio. En contraste, agregar más productos aumenta Q.Por lo tanto, la posición de equilibrio se desplaza hacia los reactivos para gastar el producto agregado y restablecer el equilibrio. Un cambio en la concentración cambia la posición de equilibrio sin cambiar el valor de K.