14.8: Principio de le Chatelier: Cambios de Volumen (Presión)

En el caso de los equilibrios de fase gaseosa, pueden producirse cambios en las concentraciones de los reactivos y productos con un volumen y una presión alterados. La presión parcial, P, de un gas ideal es proporcional a su concentración molar, M.

Así que, los cambios en las presiones parciales de cualquier reactivo o producto son esencialmente cambios en las concentraciones; por lo tanto, estos cambios producen los mismos efectos en los equilibrios. Además de añadir o eliminar reactivos o productos, las presiones (concentraciones) de las especies en un equilibrio de fase gaseosa también pueden cambiarse cambiando el volumen ocupado por el sistema. Dado que todas las especies de un equilibrio de fase gaseosa ocupan el mismo volumen, un cambio dado en el volumen causará el mismo cambio en la concentración tanto de los reactivos como de los productos. Para discernir qué cambio inducirá esta tensión, si hay alguno, la estequiometría de la reacción debe ser considerada.

En equilibrio, la reacción N₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2 NO (g) es descrita por el cociente de reacción

Si el volumen ocupado por una mezcla de estas especies en equilibrio se reduce en un factor de 3, las presiones parciales de las tres especies se incrementarán en un factor de 3:

Y así, cambiar el volumen de esta mezcla de fase gaseosa en equilibrio no produce un cambio de equilibrio.

No obstante, un tratamiento similar de un sistema diferente, 2 SO₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2 SO₃ (g), produce un resultado diferente:

En este caso, el cambio de volumen produce un cociente de reacción menor que la constante de equilibrio, por lo que el equilibrio se desplazará hacia la derecha.

Estos resultados ilustran la relación entre la estequiometría de un equilibrio de fase gaseosa y el efecto de un cambio de presión (concentración) inducido por volumen. Si las cantidades molares totales de reactivos y productos son iguales, como en el primer ejemplo, un cambio en el volumen no cambia el equilibrio. Si las cantidades molares de reactivos y productos son diferentes, un cambio en el volumen cambiará el equilibrio en la dirección que mejor “se ajuste” al cambio de volumen. En el segundo ejemplo, tres moles de reactivo (SO₂ y O₂) producen dos moles de producto (SO₃), y por lo tanto, la disminución del volumen del sistema hace que el equilibrio se desplace hacia la derecha, ya que la reacción de formación produce menos gas (2 mol) que la reacción de descomposición (3 mol). A la inversa, el aumento del volumen de este sistema en equilibrio daría lugar a un cambio hacia los reactantes.

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

El principio de Le Châtelier se puede utilizar para predecir cómo respondería un sistema en equilibrio al estrés de un cambio de volumen o presión. El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión;por lo tanto, para un sistema en equilibrio, una disminución de volumen aumenta la presión y perturba el equilibrio. En respuesta, la posición de equilibrio cambiará en una dirección para minimizar la tensión.

La ley de los gases ideales establece que la presión de un gas es directamente proporcional al número de moles. Por lo tanto, la dirección del cambio necesaria para restablecer el equilibrio depende del número de moles de partículas de gas en cada lado de la reacción. A medida que más moles de gas dan como resultado una presión más alta, un aumento en la presión desplaza la posición de equilibrio hacia el lado con menos moles para reducir la presión.

Asimismo, una disminución de la presión desplaza la posición de equilibrio hacia el lado con más moles de gas. Considere un equilibrio químico, donde un mol de pentacloruro de fósforo gaseoso se descompone en un mol de tricloruro de fósforo y un mol de cloro gaseoso, dos moles totales de producto. Si se empuja el pistón hacia abajo, el volumen del sistema de equilibrio disminuye, aumentando la presión.

Esto altera el equilibrio y da como resultado que Q sea mayor que K.Por lo tanto, la posición de equilibrio se desplaza hacia los reactivos, con menos moles de partículas de gas, para disminuir la presión y restablecer el equilibrio. Por el contrario, tirar del pistón hacia arriba aumenta el volumen y disminuye la presión. En este caso, Q se vuelve menor que K.Para aumentar la presión, la posición de equilibrio se desplaza hacia los productos, el lado con más moles de gas, y se restablece el equilibrio.

El aumento de la presión añadiendo un gas inerte a una mezcla de equilibrio a volumen constante no afecta el equilibrio porque las presiones parciales de los reactivos y productos gaseosos permanecen sin cambios. Para sistemas en equilibrio con igual número de moles de reactivos y productos gaseosos, como la reacción entre gas yodo y gas cloro para producir monocloruro de yodo, un cambio en el volumen del sistema no tendrá ningún efecto sobre el equilibrio.