El concepto de equilibrio químico
El equilibrio químico es un estado de una reacción reversible en el cual la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa. Al inicio del proceso, la concentración de los reactivos es máxima y no hay productos, por lo que la velocidad de la reacción directa es alta y la de la inversa es cero. A medida que se acumulan los productos, la velocidad de la reacción directa disminuye y la inversa aumenta. En el punto en que se igualan, se establece un equilibrio dinámico: la reacción continúa en ambos sentidos, pero no se producen cambios visibles en las concentraciones.
Es importante comprender que la concentración de equilibrio de una sustancia no es la cantidad formada en la reacción directa, sino lo que queda después del retorno parcial de los productos a reactivos mediante la reacción inversa.
Condición del problema
Se colocaron metano y oxígeno en un reactor de volumen constante. Ocurre la reacción:
CH₄ + 2O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ + ... (esquema simplificado para ilustrar el cálculo según los coeficientes 1 : 2 : 2 : 4).
- Concentración inicial de O₂: 0,5 mol/L
- Concentración inicial de CH₄: x (a determinar)
- Concentración de equilibrio de CO: 0,4 mol/L
- Concentración de equilibrio de H₂: 0,8 mol/L
- Concentración de equilibrio de CH₄: 0,2 mol/L
- Concentración de equilibrio de O₂: y (a determinar)
Error típico: cálculo a partir del oxígeno
Es tentador realizar el cálculo utilizando la concentración conocida de oxígeno (0,5 mol/L). Según la estequiometría, 0,5 mol/L de O₂ producen 0,5 mol/L de CO y 1,0 mol/L de H₂. Entonces, la reacción inversa «consume» 0,6 mol/L de CO y 1,2 mol/L de H₂, formando 0,6 mol/L de CH₄. Pero esto contradice la condición: la concentración de equilibrio del metano debe ser 0,2 mol/L.
La causa de la discrepancia es el exceso y el reactivo limitante. El enunciado no indica qué reactivo se encuentra en exceso. Si el cálculo se realiza con base en el reactivo en exceso, la estequiometría distorsiona el resultado. Por lo tanto, es necesario hacer el cálculo utilizando el reactivo limitante; en este caso, el metano.
Procedimiento de resolución correcto
- Análisis de la reacción inversa a través del metano. La concentración de equilibrio del CH₄ es 0,2 mol/L; esta es la cantidad recuperada por la reacción inversa.
- Recálculo estequiométrico. 0,2 mol/L de CH₄ se formaron a partir de 0,2 mol/L de CO y 0,4 mol/L de H₂ (coeficientes 1 : 2 : 4 → para el metano 1, monóxido de carbono 2, hidrógeno 4; el sentido inverso da la proporción 0,2 : 0,2 [según los coef. de la reacción inicial 2:2... — se toma en cuenta la relación de la clase]).
- Productos formados realmente en la reacción directa: CO: 0,4 + 0,2 = 0,6 mol/L; H₂: 0,8 + 0,4 = 1,2 mol/L.
- Concentración inicial de metano: según la estequiometría CH₄ → 2CO, lo que significa que reaccionaron 0,6 mol/L de metano. Sumando el residuo en equilibrio de 0,2: x = 0,6 + 0,2 = 0,8 mol/L (o bien otra variante según cómo se escriba la reacción; en la clase se usó x = 0,6 como la cantidad que reaccionó en la reacción directa).
Cálculo de la concentración de equilibrio del oxígeno
Verificación del exceso: para 0,6 mol/L de metano que reaccionaron se requieren solo 0,3 mol/L de O₂ (el coeficiente 2 se equilibra con la relación del problema). Se dan 0,5 mol/L; por lo tanto, el oxígeno está verdaderamente en exceso, confirmándose la hipótesis.
La reacción inversa devuelve oxígeno: 0,2 mol/L de CO en la reacción inversa producen 0,1 mol/L de O₂. Al residuo en exceso (0,2 mol/L) se le suma el oxígeno regenerado:
y = 0,2 + 0,1 = 0,3 mol/L.
Conclusiones metodológicas
- En los problemas con un solo reactivo proporcionado, el cálculo siempre se realiza a partir de este; no surge la cuestión del exceso.
- En los problemas con dos reactivos proporcionados, se requiere determinar cuál de ellos es el limitante y calcular en función de este; de lo contrario, la estequiometría arrojará un resultado erróneo.
- Concentración de equilibrio del producto = (formado en la reacción directa) − (retornado en la inversa).
- Concentración de equilibrio del reactivo = (inicial) − (que reaccionó) + (recuperado en la reacción inversa).
- El problema exige no solo el conocimiento de la teoría, sino también la habilidad de reconocer el exceso y el reactivo limitante, la cual se perfecciona con la práctica.
Puntos clave
- El equilibrio químico es un estado con velocidades iguales para las reacciones directa e inversa.
- La concentración de equilibrio es el resultado de dos procesos opuestos y no el producto exclusivo de la reacción directa.
- En un sistema con dos reactivos conocidos, el cálculo se realiza a través del reactivo limitante.
- Para verificar la hipótesis del exceso se emplean los coeficientes estequiométricos.
- La reacción inversa devuelve una parte de los reactivos: su concentración de equilibrio es mayor que la calculada mediante la reacción directa «completa».
- Los coeficientes estequiométricos se aplican tanto en sentido directo como inverso.
- El ejercicio 26/32 del examen sobre equilibrio es uno de los más complejos y requiere un entrenamiento sistemático.