Equilibrio Químico

Una reacción reversible es aquella en que los productos de la reacción interactúan entre sí y forman nuevamente los reaccionantes. En la siguiente representación de una reacción
reversible

aA + bB ↔ cC + Dd

los reaccionantes A y B se transforman en los productos C y D, y estos a su vez reaccionan

entre sí y forman nuevamente A y B. La primera de las reacciones se considera como la

reacción directa o a la derecha  la segunda es la reacción inversa o a la izquierda.

Las letras minúsculas a, b, c, d, son los coeficientes de la reacción balanceada.

El equilibrio químico es el estado alcanzado en una reacción reversible en que la velocidad de la reacción a la derecha, rD, es igual a la velocidad de la reacción a la izquierda, rI, es
decir que

rD = rI

En los procesos químicos celulares ocurren tanto reacciones irreversibles como reversibles.

Las reacciones irreversibles son importantes en la determinación de la dirección de los

procesos. Las reacciones reversibles en un proceso metabólico permiten su fácil inversión,

además de las grandes variaciones de flujo que se ocasionan con pequeños cambios en las

concentraciones de sustratos o productos. Algunas rutas metabólicas deben funcionar en

direcciones opuestas según la ocasión. Por ejemplo, en ciertas ocasiones el hígado

transforma glucosa en piruvato (glucólisis), pero en otras convierte piruvato en glucosa

(gluconeogénesis).

 

Equilibrio de moléculas

 (H2 + I2 Á 2 HI)

Constante de equilibrio de una reacción químico

El estado de equilibrio de una reacción química, a una temperatura dada, se define en terminos de la descomposición de la mezcla en equilibrio mediante la denominada Constante de Equilibrio.La expresión matemática para la constante de equilibrio, Ke, de la reacción química anterior, en función de las concentraciones en el estado de equilibrio, es:

 

Ke= kD [C]^c  [D]^d

             kI   [A] ^a [B]^b

Siendo K D y KI las constantes de velocidad de reacción a la derecha y a la izquierda, respectivamente y el subíndice "e" indica las correspondientes concentraciones en el estado deequilibrio químico.La constante de equilibrio expresa una relación que debe existir entre las concentraciones de los componentes de una reacción química cuando esta se encuentre en equilibrio.

Además, es una relación entre las constantes específicas de velocidad de reacción directa e inversa. Para la reacción de síntesis del amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno, la expresión para la constante de equilibrio es

 

N 2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

 

Ke= [NH3]²

              ^{[H2]3 [N2]}

Concepto y representación gráfica del equilibrio de una reacción química

 

En un principio las concentraciones de los reaccionantes, A y B, están en su máximo

mientras que las concentraciones de los productos, C y D, están en cero. En el momento de

mezclar los reaccionantes, la reacción directa se inicia a la máxima velocidad y disminuye

gradualmente, mientras que la reacción inversa se inicia a velocidad cero y aumenta

gradualmente a medida que aumentan las concentraciones de C y D. Después de un cierto

tiempo las velocidades de las dos reacciones se igualan y se establece un equilibrio dinámico

entre ellas puesto que no hay cambio neto en las concentraciones de reaccionantes y productos. Una representación gráfica de la variación de las velocidades de reacción directa e inversa con el transcurso del tiempo se muestra en La Figura 1.

Figura 1. Representación gráfica del equilibrio químico

 

Principio de Le Chatelier y factores que influyen en el equilibrio de una reacción química

El Principio de Le Chatelier establece que "Cuando un sistema está en equilibrio químico,

el cambio de cualquiera de los factores que influyen en él, hará que se desplace el equilibrio de manera que se disminuya el efecto del cambio" Los factores que influyen en el estado de equilibrio de una reacción química son la concentración, la temperatura y la presión. Es conveniente mencionar que la presencia de un catalizador no afecta de ninguna manera el estado final de equilibrio, ellos solo afectan la velocidad con que se alcanza el equilibrio. 

Influencia del cambio de concentración en el estado de equilibrio de una reacción

Si en el estado de equilibrio se añade una cierta cantidad de uno de los reaccionantes, se

produce un aumento de la velocidad de la reacción directa, es decir, se altera el equilibrioprovocándose un aumento en la concentración de los productos y, por lo tanto, un aumento en la velocidad de reacción inversa lo que hace que se alcance nuevamente el equilibrio. Análisis similares, sobre el aumento en la concentración de los productos o la disminución de cualquiera de los componentes de la reacción, nos explicarán un rompimiento del estado de equilibrio pero una evolución de la misma reacción para alcanzar nuevamente dicho estado.

 

Influencia del cambio de temperatura en el estado de equilibrio de una reacción

Si la reacción directa de una reacción reversible es endotérmica, un aumento de temperatura

causará un desplazamiento del equilibrio en dicho sentido con la formación consiguiente de mas cantidad de productos con lo que se alcanzará nuevamente el equilibrio. Si por el contrario la reacción directa es exotérmica, un aumento de temperatura causará un desplazamiento del equilibrio en el sentido inverso. Si se disminuye la temperatura de una reacción en estado de equilibrio, se provocará un desplazamiento de éste en el sentido hacia donde se desprenda calor.
 

Influencia del cambio de presión en el estado de equilibrio de una reacción

Para reacciones en fase gaseosa, un aumento en la presión hará que el equilibrio se desplace

en la dirección que resulte en una disminución de volumen y viceversa En la reacción
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

un aumento de presión favorece la mayor formación de amoníaco, porque en ese sentido disminuye el volumen. Por lo contrario, una disminución de presión favorece la descomposición del amoníaco en nitrógeno e hidrógeno, porque en ese sentido aumenta el volumen. Si en una reacción en fase gaseosa no hay cambio en el número de moles gaseosas, el cambio de presión no tendrá ningún efecto en el estado de equilibrio.

 

Influencia del catalizador en el estado de equilibrio de una reacción

Los catalizadores no afectan el estado de equilibrio de una reacción, solo alteran las velocidades de reacción directa e inversa haciendo que el equilibrio se alcance en un menor tiempo y alcanzándose las mismas concentraciones de equilibrio de la reacción sin catalizadores.