Equilibrio Químico

Una reacción es reversible cuando a medida que la reacción avanza los reactivos (o los productos) reaccionan entre sí para formar los productos (o los reactivos) de forma espontánea. En un momento las concentraciones de reactivos y productos no varían. En ese momento, la reacción ha finalizado, se dice que se ha alcanzado el equilibrio químico.

Inicialmente la reacción directa es muy rápida e ira disminuyendo. La reacción inversa es muy lenta e ira aumentando. En el equilibrio las dos velocidades se hacen iguales y permanecen constantes.En cuanto haya unas concentraciones mínimas de productos empezará la reacción inversa, pero con una velocidad muy pequeña al principio que irá aumentando hasta alcanzar un valor máximo cuando se llegue al equilibrio químico. Cuando se alcanza el equilibrio las dos reacciones directas e inversa siguen ocurriendo, pero a la misma velocidad. Desde el punto de vista macroscópico las concentraciones de todos los reactivos y productos no variarán. Cuando se alcanza el equilibrio la concentración de todos los reactivos y productos se mantiene constante.

Para una reacción química cualquiera se define la constante de Equilibrio (Kc)  de la siguiente manera:

siendo las concentraciones de los reactivos y productos, las medidas en el equilibrio y no las concentraciones iniciales. Se denomina constante de equilibrio porque se observa que dicho valor es constante dentro de un mismo equilibrio, si se parte de cualquier concentración inicial de reactivo o de producto. La Kc,  solo se modifica con la temperatura.

• Si Q < Kc  nos indica que el sistema, a esa temperatura, no está en equilibrio, por lo que evolucionará hacia la derecha, los productos se transforman en reactivos.
• Si Q > Kc  nos indica que el sistema, a esa temperatura, no está en equilibrio, por lo que evolucionará hacia la izquierda los productos se transforman en reactivos.

Factores que modifican el equilibrio químico: Principio de Le Chatelier

El equilibrio químico se puede alterar por efecto de la variación de la temperatura, de la presión, del volumen  o de las concentraciones de las sustancias presentes. Cuando esto ocurre, el equilibrio se desplaza en el sentido conveniente para contrarrestar la variación (Principio de Le Châtelier).

Principio de Le Châtelier:

Cuando un sistema en equilibrio es alterado por un factor externo (presión, volumen, temperatura, concentraciones) evoluciona en el sentido (hacia reactivos o productos) de contrarrestar la alteración introducida.

Para una reacción reversible determinada el valor de la constante de equilibrio depende exclusivamente de la temperatura. Por ello, al aplicar el principio de Le Châtelier, no olvides que sólo los cambios de temperatura afectan al valor de la constante de equilibrio.

Para saber como afecta el cambio de temperatura a una reacción reversible, una vez alcanzado el equilibrio, se suele considerar la energía transferida o, como normalmente se dice, el calor como un reactivo en las reacciones endotérmicas (incorpora calor) y como un producto en las reacciones exotérmicas (libera calor) . 

• En una reacción endotérmica, al aumentar la temperatura, es como si añadiésemos calor (“un reactivo”) y el equilibrio se desplazará hacia los productos. Por el contrario, al disminuir la temperatura, es como si eliminásemos calor (“un reactivo”) y el equilibrio se desplazará hacia los reactivos. 
• En el caso de una reacción exotérmica: al aumentar la temperatura, es como si añadiésemos calor (“un producto”), por lo que el equilibrio evolucionará en el sentido de que se formen más reactivos (hacia la izquierda). En cambio, al disminuir la temperatura, es como si retirásemos calor (“un producto”), y el equilibrio responderá de forma que se forme más producto, esto es hacia la derecha. 

El efecto de la presión sobre la reacción viene determinado por el número de moles de las especies gaseosas presentes en el equilibrio. Un aumento de la presión desplazaría el equilibrio hacia donde hay menor número de moles gaseosos, es decir, hacia la izquierda.  Al aumentar la presión. Cuando la presión aumenta, las moléculas están más juntas. El sistema evolucionará de manera que el número de moléculas sea menor.

Añadiendo algún reactivo a una mezcla en equilibrio, aumenta la concentración de reactivos. El sistema responde  oponiéndose a este aumento, esto es transformándose reactivos en productos, de forma que disminuye la concentración de reactivos y aumenta la de productos, dando como resultado que se forma más productos.

Algo sobre gases para entender equilibrio químico

Muchas mezclas están formadas por líquidos y sólidos, pero también existen otras en las que el soluto o el solvente se encuentran en estado gaseoso. La concentración del gas en una solución, puede calcularse de la misma manera que en el caso de las soluciones líquidas, es decir como el número de moles de gas por litro de solución. Pero, como ya sabemos, los gases son compresibles, es decir que su volumen puede disminuirse o aumentar fácilmente por acción de la presión o la temperatura. Para comprender como afectan estas variables el comportamiento de los gases, es necesario recordar la Ecuación de Estado de los Gases Ideales

Para recordar... alimentos y sistemas

Un alimento es un sistema muy complejo, constituido por diferentes componentes: agua, hidratos de carbono, proteínas, lípidos, vitaminas y minerales. Estos sistemas pueden ser homogéneos o heterogéneos. 

Teniendo en cuenta lo que aprendimos en los años anteriores, les propongo recordar los conceptos de: materia, sustancia, mezcla... y ahora, pensemos en algunos alimentos, por ejemplo azúcar, vino, leche, mayonesa ¿son sustancias o mezclas? ¿homogéneas o heterogéneas? ¿las sustancias son simples o compuestas? ¿qué átomos las componen? ¿cómo están unidos esos átomos? 

La Química de los Alimentos

La química, estoy segura no es lo que más les gusta, por eso elegí para comenzar el año un tema que seguro será interesante: "La Química de los Alimentos", nos sumergiremos en el mundo de la tecnología alimentaria y la gastronomía, relacionándolas con la química, y trataremos de explicar cual es la finalidad de la alimentación, porque tenemos necesidad de ingerir ciertos nutrientes y que importancia tiene para nuestra vida elegir los alimentos correctos.

Para comenzar, los invito a pensar ¿Qué se entiende por alimentación saludable? ¿a qué se llama "enfermedades de la abundancia"? ¿a qué se llama "comida chatarra"? ¿cuál es el efecto del consumo sin medida de la "comida chatarra" en los niños y adolescentes? ¿Cómo definirían el término alimento? ¿y nutriente?

¿Agrio o amargo? Una cuestión de pH

La definición de pH que podrían encontrar en cualquier libro dice:

Medida de la ácidez o alcalinidad de una solución. La escala que se usa, va del 1 al 14, siendo 7 el valor para las soluciones neutras, mayor de 7 las alcalinas y menor las ácidas.

Es fácil identificar las sustancias ácidas, como el jugo del limón o el vinagre, cuesta un poco más encontrar las alcalinas, como el bicarbonato o la pasta dental. Algunas son inofensivas como las bebidas gaseosas y otras pueden ser corrosivas como la soda caústica. En los laboratorios químicos se emplean sustancias llamadas indicadores, que permiten observar cambios de color de las soluciones cuando el pH varía, debido a que sus formas ácidas o básicas tienen distinto color.  La p viene de la palabra poder. La H por supuesto es el símbolo de el elemento hidrógeno. Juntos el término pH significa hidrión exponente iónico. A medida que el potencial de liberar iones de hidrogeno incrementan en una sustancia el valor del pH sera menor. Es así como a mayor grado de acidez la lectura del pH será más baja.

La escala del pH es logarítmica, significando que los valores separando cada unidad no son iguales en la escala por el contrario incrementan de manera proporcional a la distancia a la que se encuentren de la mitad de la escala el punto de equilibrio entre acidez y alcalinidad.  Los valores son multiplicados por 10 en cada unidad. Es por eso que el valor del pH de 6 es 10 veces más acídico que un pH con un valor de 7, pero un pH de 5 es 100 veces mas acídico que un pH de 7. De otra forma el valor del pH de 8 es 10 veces más alcalino que un pH con un valor de 7, pero un pH de 9 es 100 veces mas alcalino que un pH de 7.

Cómo se mide el pH


Una manera simple es utilizar papel de tornasol. El papel de tornasol es una tira de papel tratada que se vuelve color rosa cuando está sumergida en una solución ácida, y azul cuando está sumergida en una solución alcalina.

El método más exacto y comúnmente más usado para medir el pH es usando un medidor de pH (o pHmetro) y un par de electrodos. Un medidor de pH es básicamente un voltímetro muy sensible, los electrodos conectados al mismo generarán una corriente eléctrica cuando se sumergen en soluciones. Un medidor de pH tiene electrodos que producen una corriente eléctrica; ésta varía de acuerdo con la concentración de iones hidrógeno en la solución.

Equilibrios iónicos

Los ácidos, las bases y las sales pertenecen a un grupo de sustancias llamadas electrolitos,se caracterizan porque al disolverse en agua se disocian en iones lo que permite que sean conductores de la electricidad. 

Teoria de Arrhenius 

Arrhenius propuso, que los ácidos eran sustancias que al ionizarse producían iones de hidrógeno (H+). Por ejemplo el HCl al ionizarse da lugar a los iones de hidrógeno y a los iones de cloruro. 

Según la misma teoría, las bases son sustancias que en solución acuosa producen iones hidróxido (OH-)

La reacción entre un ácido y una base, es una neutralización. Esta reacción se simplifica indicando sólo la reacción iónica, donde se combinan los iones H+ del ácido con los OH- de la base para formar moléculas de agua.

• Electrolitos fuertes: son aquellos electrolitos que cuando se disuelven en el agua, se ionizan totalmente: ejemplo de estos electrolitos fuertes son HCl, NaOH, KOH 
• Electrolitos débiles: son los que se ionizan en baja proporción en solución diluida.

Teoría Protónica de Bronsted – Lowry: 

La teoría de Arrhenius no consideraba el papel del solvente en la ionización. Bronsted y Lowry  propusieron como fundamento de su teoría las siguientes definiciones: 

• Ácido: es una sustancia capaz de ceder un protón. 
• Base: es una sustancia capaz de aceptar un protón. 

La ionización del HCl gaseoso en agua tiene la siguiente interpretación: el HCl transfiere un protón al agua dando origen al ion hidronio (H3O+) y al mismo tiempo el ion cloruro.

Según las definiciones de Bronsted y Lowry, el HCl es un ácido porque cedió un protón y el agua es una base porque aceptó un protón. Esta reacción en cierta medida es reversible, así el hidronio cede un protón al ión cloruro para generar las sustancias iniciales. En ambos miembros de la ecuación existen un par de sustancias con las características de ácidos y bases, esto recibe el nombre de par conjugado. Mientras más fuerte sea el ácido, más débil será su base conjugada y viceversa.

Equilibrio de ácidos y bases débiles

En las disoluciones de electrolitos fuertes, no existe el equilibrio, ya que la ionización es total. Pero para los ácidos y las bases débiles, existe equilibrio en solución acuosa. Por lo tanto existe una constante de equilibrio que recibe el nombre de constante de acidez (Ka) y una constante de basicidad (Kb). 

Producto iónico del agua

La ionización del agua químicamente pura se describe de la siguiente manera: se produce un ión hidronio y un ión hidroxilo. La constante de equilibrio para la ecuación es:

Pero como la concentración del agua es constante, al multiplicar este valor constante por la constante de equilibrio (Ke), se obtiene otra constante (Kw), que recibe el nombre de producto iónico del agua.

Los experimentos han demostrado que a 25 ºC las concentraciones de H3O+ y OH- son iguales y que tienen un valor de 1 x 10-7. El agua es una sustancia neutra gracias a que las concentraciones de iones hidronio e hidroxilo son iguales. Si se produce una variación de alguna de las concentraciones se observa un desplazamiento del equilibrio, según el principio de Le Chatelier, lo que mantiene inalterado el valor del producto iónico del agua (Kw). 

Una solución para las Soluciones...

Antes de comenzar con el equilibrio químico, es necesario que repasemos algunos contenidos de años anteriores, por ejemplo Soluciones y las distintas maneras de expresar la concentración de las mismas. Una de las más utilizadas es la Molaridad, cuyo símbolo es M y se define como el número de moles de soluto cada 1000 ml de solución.

En clase ya trabajamos el concepto de solución, soluto, solvente y las formas de expresar la concentración, esta presentación que puede servir como ayuda memoria para repasar el tema:

View Upload your own