Equilibrio químico y principio de Le Châtelier

¿Hacia dónde se corre un equilibrio si le cambio la temperatura o la presión?

Un equilibrio dinámico es el estado en el que dos procesos recíprocos ocurren a la misma velocidad. No es una foto congelada. En una reacción química pasa lo mismo: las dos direcciones siguen, las concentraciones de reactivos y productos dejan de cambiar, y queda una mezcla de los dos. Si los productos no pueden escapar, muchas reacciones no llegan a un rendimiento del ciento por ciento. ^{1 2}

El principio de Le Châtelier: si un sistema en equilibrio recibe una perturbación, se desplaza para volver a establecer el equilibrio. Concentración y temperatura son perturbaciones que pueden correrlo, porque cambian las velocidades de modo distinto. Si agregas reactivo, la ida se acelera respecto de la vuelta y hay un desplazamiento neto hasta que las dos velocidades se empatan otra vez. ³

La temperatura es un caso aparte: al cambiarla, cambia el valor de la constante. Para predecir el lado, trata el calor como si fuera un participante. En un proceso endotérmico el calor entra: escríbelo del lado de los reactivos. Subir la temperatura se parece a agregar reactivo y el equilibrio se corre hacia los productos. Bajarla, hacia los reactivos. En un exotérmico el calor sale: va del lado de los productos, y el efecto de la temperatura es el contrario. ^{3 6}

Si aumentas la presión, se favorece el desplazamiento que reduce el número de moléculas por unidad de volumen. Bajar la presión favorece el sentido contrario. Cuenta los moles de gas. Un sólido o un líquido no entra en esa cuenta de moléculas del gas. ⁴

Un catalizador acelera la ida y la vuelta. El equilibrio se alcanza más pronto. No cambia la constante ni las concentraciones del equilibrio. Cómo acelera, con otra barrera, está en la sustancia que no se gasta. Qué reacción suelta calor y cuál lo toma está en el signo con el que el calor sale.

Ideas clave

• Dinámico. Las dos direcciones siguen a la par. Las cantidades se ven constantes. ^{1 2}
• Le Châtelier. Ante una perturbación, el sistema se desplaza hasta rehacer el equilibrio. ³
• Temperatura. Cambia la constante. El calor se lee como reactivo si el proceso absorbe, y como producto si lo suelta. ³
• Presión. Subirla favorece el lado con menos moléculas de gas. ⁴
• Catalizador. Llegas antes al equilibrio. La mezcla de equilibrio no cambia. ⁵

Ejemplos resueltos

Calor del lado de los reactivos

$\mathrm{A(g) \rightleftharpoons 2\,B(g)}$ con $\Delta H = +25$ kJ. El problema dice que es endotérmica hacia la derecha.

1. El calor se escribe a la izquierda, con $\mathrm{A}$. ³
2. Subir la temperatura empuja hacia la derecha. Hay más $\mathrm{B}$.
3. A la derecha hay $2$ moles de gas y a la izquierda $1$. Subir la presión favorece el lado con menos moléculas: la izquierda, hacia $\mathrm{A}$. ⁴
4. Un catalizador no elige lado. Las dos velocidades suben y $K$ se queda. ⁵
5. Son tres respuestas distintas. No uses la de la presión para contestar la de la temperatura.

Quitar producto

En $\mathrm{C(g) + D(g) \rightleftharpoons E(g)}$ retiras $\mathrm{E}$ a medida que se forma.

1. Bajas la concentración de un producto. La vuelta, que lo necesita, se frena frente a la ida. ³
2. El sistema se corre hacia la derecha, formando más $\mathrm{E}$, hasta empatar de nuevo.
3. No cambiaste la temperatura, así que no estás moviendo $K$ por calor. Estás moviendo las cantidades.
4. Si en vez de quitar $\mathrm{E}$ agregas $\mathrm{C}$, el corrimiento también es a la derecha: sobra reactivo. ³

Errores comunes

Si dices que en el equilibrio "ya no hay reacción", contradices el equilibrio dinámico. Lo que se detiene es el cambio neto, no las dos reacciones. ²

Si calientas una exotérmica y la corres hacia los productos, pusiste el calor del lado equivocado. En la exotérmica el calor va con los productos. Calentar los favorece menos. ³

Si comprimes y no cuentas los moles de gas, puedes correr el equilibrio al lado que tiene más partículas. Gana el lado con menos moléculas de gas. ⁴

Si el catalizador "aumenta el rendimiento", le estás pidiendo un cambio de $K$ que no hace. ⁵

Cómo lo pregunta el examen

Te dan una ecuación con gases y preguntan qué pasa al comprimir. Cuenta moles de gas a cada lado. Menos moles del lado de los productos: al subir la presión hay más producto.

Otra lista cambios y pregunta cuáles forman más de un producto, con un $\Delta H$ que dice si el calor entra o sale. Temperatura y el lado del calor van juntos. No marques el catalizador en esa lista. ⁵

Una constante muy grande se pregunta aparte: en el equilibrio hay más productos que reactivos. No hace falta correr Le Châtelier si ya te dieron el tamaño de $K$.

Resumen

• En el equilibrio las dos direcciones siguen a la misma velocidad.
• Una perturbación se compensa con un desplazamiento que rehace el equilibrio.
• Agregar un reactivo, o quitar un producto, corre el sistema hacia los productos.
• En una endotérmica, calentar favorece a los productos. En una exotérmica, al revés.
• Subir la presión favorece el lado con menos moles de gas. El catalizador no cambia $K$.