Equilibrio en Química: Ejemplos y tipos

¿Qué es el equilibrio?

El equilibrio se puede definir como el estado de un objeto en el que dos o más contrainfluencias, ya sean internas, externas o una combinación de ambas, actúan sobre el cuerpo, anulándose entre sí para mantener el objeto en el mismo estado en el que se encontraba. La palabra equilibrio tiene una raíz en el vocablo latino libra, que significa peso o equilibrio.

Algunos ejemplos de equilibrio son:

• Un libro mantenido sobre una mesa en reposo.
• Un auto que se mueve con velocidad constante.
• Una reacción química donde las velocidades de reacción directa y inversa son las mismas.

Tipos de equilibrio

Dependiendo de las características, el equilibrio se puede clasificar en los siguientes tres tipos:

Equilibrio estático

Si sobre un objeto en reposo actúan influencias opuestas internas, externas o ambas de tal manera que el objeto permanece sólo en esa posición, entonces se dice que el objeto está en equilibrio estático. Algunos ejemplos de equilibrio estático son:

• Una manzana colgando de un árbol.
• Una persona parada en el suelo.
• Un coche estacionado en un garaje

Equilibrio dinámico

Considere un objeto que se mueve con cierta velocidad. Varias fuerzas externas actúan sobre el objeto de tal manera que el resultado de las fuerzas es cero. En tales condiciones, según la Segunda Ley del Movimiento de Newton, el objeto sigue moviéndose con la misma velocidad. Dado que la velocidad del objeto permanece sin cambios, se dice que el objeto está en equilibrio dinámico.

De manera similar, si se aplican pares iguales pero opuestos a un cuerpo que gira con velocidad angular uniforme, los pares se cancelarán entre sí y el cuerpo continuará girando con la misma velocidad angular.

Algunos ejemplos de equilibrio dinámico son:

• Un auto que se mueve con velocidad constante.
• Levantar un peso con un sistema polea-cuerda a velocidad constante

Según la posición y la estabilidad de un objeto, el equilibrio se puede clasificar en tres tipos: equilibrio estable, inestable y neutro. Considere la siguiente figura:

En esta figura, si al aplicar una fuerza externa, el primer objeto con forma de triángulo se inclina ligeramente y se retira la fuerza, el triángulo volverá a su posición de equilibrio inicial. Este tipo de equilibrio se llama equilibrio estable. Por el contrario, si se repite el mismo proceso para el segundo objeto con forma de triángulo, el objeto seguirá alejándose de su posición de equilibrio inicial hasta alcanzar una nueva posición de equilibrio. Este tipo de equilibrio se llama equilibrio inestable. Para el tercer objeto de forma esférica, si se desplaza una cierta distancia a lo largo de la superficie, el objeto permanecerá en equilibrio cuando llegue al reposo. De hecho, el objeto permanece en una posición de equilibrio en todas las posiciones de la superficie. Este tipo de equilibrio se llama equilibrio neutro.

Equilibrio químico

El equilibrio químico está relacionado con reacciones químicas. En una reacción química, los reactivos reaccionan entre sí y producen los productos. Una vez que los productos alcanzan un cierto nivel de concentración, los productos comienzan a descomponerse en reactivos. En un momento determinado, la velocidad de formación de productos, denominada reacción directa, y la velocidad de descomposición de los productos en reactivos, denominada reacción inversa, se vuelven iguales. A partir de este instante la concentración tanto de los reactivos como de los productos sigue siendo la misma. Este fenómeno se llama equilibrio químico. Un ejemplo de equilibrio químico es la formación de yoduro de hidrógeno (HI) a partir de la reacción química entre hidrógeno y oxígeno (reacción directa) y la descomposición del yoduro de hidrógeno nuevamente en hidrógeno y oxígeno (reacción inversa). Después de un cierto intervalo de tiempo, las velocidades de reacción hacia adelante y hacia atrás se vuelven iguales y se dice que la reacción ha alcanzado un equilibrio químico.

Equilibrio dinámico

El término ‘equilibrio dinámico’ tiene su presencia tanto en la física newtoniana como en la Química, especialmente en las reacciones químicas. Ambos se definen a continuación por separado:

Definición de equilibrio dinámico (física newtoniana)

Se dice que un objeto en movimiento está en equilibrio dinámico si el resultado de todas las fuerzas externas o pares o una combinación de ambos que actúan sobre el objeto desaparece de modo que el objeto continúa moviéndose con la misma velocidad.

Ejemplos de equilibrio dinámico (física newtoniana)

Considere el siguiente caso:

Aquí, una persona tira de una caja, que se muestra en azul en la figura, a lo largo de un plano inclinado ejerciendo una fuerza externa hacia arriba {eq}\overrightarrow{F} {/eq}. Considere el peso de la caja como {eq}\overrightarrow{W}=m\overrightarrow{g} {/eq}, actuando verticalmente hacia abajo. El peso se descompone en dos componentes: {eq}m\overrightarrow{g}\sin{\theta} {/eq} paralelo al plano inclinado, y {eq}m\overrightarrow{g}\cos{\theta} {/eq} perpendicular y actuando sobre el plano inclinado. Según la tercera ley del movimiento de Newton, el plano inclinado también ejerce una fuerza de reacción igual y opuesta sobre la caja, que se muestra como {eq}\overrightarrow{N} {/eq} en la figura. Dado que la caja se empuja hacia arriba con una fuerza {eq}\overrightarrow{F} {/eq}, la fuerza de fricción {eq}\overrightarrow{F_f} {/eq} actúa sobre la caja opuesta a la fuerza {eq}\ flecha superior{F} {/eq}. Supongamos que {eq}\overrightarrow{a} {/eq} es la aceleración de la caja. La fuerza neta que actúa sobre la caja será {eq}[\overrightarrow{F}-(m\overrightarrow{g}\sin{\theta}+\overrightarrow{F_f})] {/eq}. Por tanto, a partir de la segunda ley del movimiento de Newton, se puede escribir la siguiente ecuación:

$$\overrightarrow{F}-(m\overrightarrow{g}\sin{\theta}+\overrightarrow{F_f})=m\overrightarrow{a} $$

Dado que la aceleración es la tasa de cambio de velocidad, sustituya {eq}\overrightarrow{a} {/eq} por {eq}\displaystyle{\frac{d\overrightarrow{v}}{dt}} {/eq} en ecuación:

$$\overrightarrow{F}-(m\overrightarrow{g}\sin{\theta}+\overrightarrow{F_f})=m\frac{d\overrightarrow{v}}{dt} $$

Ahora, si la caja se tira hacia arriba a lo largo del plano inclinado con una velocidad constante, entonces {eq}d\overrightarrow{v}=0 {/eq}. Sustituyendo esto en la ecuación anterior, obtenemos:

$$\overrightarrow{F}-(m\overrightarrow{g}\sin{\theta}+\overrightarrow{F_f})=0 \\ \overrightarrow{F}-m\overrightarrow{g}\sin{\theta} -\overrightarrow{F_f}=0 \\ \overrightarrow{F}+(-m\overrightarrow{g}\sin{\theta})+(-\overrightarrow{F_f})=0 $$ (i)

Aquí, {eq}\overrightarrow{F} {/eq} es la fuerza ejercida sobre la caja por una persona, {eq}m\overrightarrow{g}\sin{\theta} {/eq} es el componente del peso de la caja, es decir, el componente de la atracción gravitacional de la Tierra sobre la caja, y {eq}\overrightarrow{F_f} {/eq} es la fuerza de fricción ejercida por el plano inclinado sobre la caja. Por tanto, la ecuación (i) representa la suma vectorial de todas las fuerzas externas que actúan sobre la caja paralela al plano inclinado, es decir, la resultante de todas las fuerzas externas en esta dirección y su valor es cero. Considerando la dirección de la fuerza {eq}\overrightarrow{F} {/eq} como positiva, el signo negativo antes de las fuerzas {eq}m\overrightarrow{g}\sin{\theta} {/eq}, y {eq}\overrightarrow{F_f} {/eq} indica que estas dos fuerzas actúan en dirección opuesta a la de {eq}\overrightarrow{F} {/eq}. Por tanto, la ecuación (i) puede interpretarse como la forma matemática de la definición de equilibrio dinámico.

La ecuación (i) se puede modificar a la siguiente forma:

$$\overrightarrow{F}=m\overrightarrow{g}\sin{\theta}+\overrightarrow{F_f} $$

Esta ecuación se puede interpretar como si las fuerzas externas o la resultante de las fuerzas externas que actúan en dirección opuesta sobre un objeto en movimiento a lo largo de la misma línea de acción fueran iguales. El objeto permanecerá en equilibrio dinámico.

Definición de equilibrio dinámico (química)

En una reacción reversible, el equilibrio dinámico se alcanza cuando la velocidad de la reacción directa (los reactivos reaccionan químicamente entre sí produciendo el producto) y la velocidad de la reacción inversa (los productos se convierten en reactivos) se vuelven iguales, de modo que la proporción de reactivos a productos sigue siendo el mismo.

Ejemplos de equilibrio dinámico (química)

Algunos ejemplos de este tipo de reacciones son:

• Producción industrial de Amoníaco {eq}NH_3 {/eq} a partir de Nitrógeno {eq}N_2 {/eq}, e Hidrógeno {eq}H_2 {/eq} mediante el proceso de Haber.
• Descomposición reversible de tetróxido de dinitrógeno {eq}N_2O_4 {/eq} en dióxido de nitrógeno {eq}NO_2 {/eq}.

Equilibrio estático

Al igual que el equilibrio dinámico, el término «equilibrio estático» se utiliza tanto en la física como en la química newtonianas.

Definición de equilibrio estático (física newtoniana)

Se dice que un objeto en reposo está en equilibrio estático si la suma vectorial de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es cero y el par neto que actúa sobre el objeto también es cero, de modo que el objeto no tiene ni la fuerza lineal ni la fuerza lineal. momento angular, es decir, el objeto no se traslada ni gira, sino que permanece en su estado original de reposo.

Ejemplos de equilibrio estático

Considere la siguiente figura:

Aquí, tanto la bola como la piedra tienen el mismo peso {eq}\overrightarrow{W} {/eq}. Dado que estos cuelgan de la balanza que está articulada al vástago de la balanza de viga, se genera una fuerza de reacción hacia arriba {eq}\overrightarrow{W}+\overrightarrow{W} {/eq} o {eq}2\overrightarrow{W} {/eq} actúa sobre el punto de articulación y mantiene así la posición de equilibrio estático evitando cualquier movimiento de traslación de la balanza de la viga.

Aquí, la distancia perpendicular de la bola y la piedra al eje de la balanza de la viga, por lo tanto, el punto de articulación es {eq}r {/eq}. Dado que los pesos de la bola y la piedra son los mismos, así como las distancias perpendiculares, las magnitudes del par ejercido sobre la balanza por el peso de la bola y la piedra, {eq}|\overrightarrow{\tau}| =Wr {/eq}, son iguales. Pero los pares tienden a hacer girar la balanza en dirección opuesta, manteniendo así la balanza en equilibrio estático eliminando el alcance de cualquier movimiento angular.

Equilibrio estático (química)

El equilibrio estático en química se refiere teóricamente a una reacción química en la que la velocidad de reacción directa e inversa es cero, es decir, no hay intercambio entre los reactivos y los productos. Pero si se establece un equilibrio, entonces tendrían lugar tanto la reacción hacia adelante como hacia atrás, ya que la reversibilidad es la condición para que se establezca el equilibrio. Entonces, desde ese punto de vista, cualquier reacción en equilibrio debería estar en equilibrio dinámico. Sin embargo, la conversión de carbono en forma de diamante en grafito puede interpretarse como un equilibrio estático. Químicamente, el grafito es más estable que el diamante. Debido al requisito de una alta energía de activación, el diamante debe calentarse hasta {eq}2000^{\circ} {/eq} para convertirlo en diamante. Se estima que a temperatura ambiente el proceso tardará millones o miles de millones de años. Dado que este proceso reversible lleva tanto tiempo, el equilibrio puede etiquetarse como estático.

Equilibrio químico

Como se mencionó anteriormente, el equilibrio químico se establece cuando la velocidad a la que los productos reaccionan químicamente para producir los productos (llamada reacción directa) es igual a la velocidad a la que los productos se descomponen y se convierten nuevamente en reactivos (llamada reacción inversa). Una vez establecido el equilibrio, la concentración de los reactivos y los productos permanece constante. Entonces, aparentemente, parece como si la reacción se hubiera detenido tan pronto como el sistema alcanza el equilibrio químico. Pero el equilibrio es de naturaleza dinámica; es decir, tanto la reacción directa como la inversa continúan ocurriendo al mismo ritmo.

A continuación se mencionan algunos ejemplos de la vida real de reacciones químicas que alcanzan el equilibrio:

• Producción de cal {eq}CaO {/eq} a partir de piedra caliza {eq}CaCO_3 {/eq}

$$CaCO_3 {\leftrightharpoons} CaO+ CO_2 $$

• Producción de metanol {eq}CH_3OH {/eq} mediante la reacción química entre monóxido de carbono {eq}CO {/eq} e hidrógeno {eq}H_2 {/eq}

$$CO+2H_2 {\leftrightharpoons} CH_3OH $$

Equilibrio constante

En una reacción química reversible, la constante de equilibrio expresa la relación entre el producto de las concentraciones de los productos y el producto de las concentraciones de los reactivos. La constante de equilibrio se denota por {eq}K_{eq} {/eq}. Dado que cada reacción química alcanza el equilibrio en una concentración particular tanto de los reactivos como de los productos cuando reacciona estequiométricamente (en la proporción molar adecuada para completar la reacción), el valor de la constante de equilibrio es único para cada reacción. Considere la siguiente reacción hipotética reversible en equilibrio:

$$aA+bB {\leftrightharpoons} cC+dD $$

La constante de equilibrio para esta reacción reversible será:

$$K_{eq}=\frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} $$

Donde {eq}[A], [B], [C], {/eq} y {eq}[D] {/eq} representa la concentración de los productos en equilibrio en unidades molares (mol/L) y {eq }a, b, c, {/eq} y {eq}d {/eq} son los coeficientes de la ecuación estequiométricamente equilibrada. Sin embargo, las concentraciones de líquidos y sólidos puros no aparecen en la expresión de la constante de equilibrio ya que las concentraciones permanecen sin cambios.

Calcular la constante de equilibrio

Considere el siguiente problema numérico:

El hidrógeno {eq}H_2 {/eq} y el yodo {eq}I_2 {/eq} reaccionan entre sí para formar yoduro de hidrógeno {eq}HI {/eq}. A medida que el sistema alcanza el equilibrio, la concentración de los reactivos y del producto es la siguiente:

$$[H_2]= 6.47\times 10^{-3}~M \\ [I_2]=5.94\times 10^{-4}~M \\ [HI]=1.37\times 10^{-2}~ $$

Calcule la constante de equilibrio, {eq}K_{eq} {/eq}, para esta reacción.

Respuesta: La ecuación estequiométricamente equilibrada de la reacción es:

$$H_2+I_2{\leftrightharpoons}2HI $$

Aquí, la reacción comienza con hidrógeno {eq}H_2 {/eq} y yodo {eq}I_2 {/eq} como reactivos. Por tanto, inicialmente la concentración de ambos reactivos es alta. A medida que {eq}H_2 {/eq} y {eq}I_2 {/eq} comienzan a combinarse para formar yoduro de hidrógeno {eq}HI {/eq}, la concentración de {eq}H_2 {/eq} y {eq}I_2 { /eq} comienza a reducirse y el de {eq}HI {/eq} aumenta. El yoduro de hidrógeno recién formado comienza a descomponerse en {eq}H_2 {/eq} y {eq}I_2 {/eq}. En el punto {eq}O {/eq} de la figura, la velocidad de formación de yoduro de hidrógeno a partir de hidrógeno y yodo (reacción directa) es igual a la velocidad de descomposición del yoduro de hidrógeno en hidrógeno y yodo (reacción inversa). A partir de este momento, la concentración de hidrógeno {eq}H_2 {/eq}, yodo {eq}I_2 {/eq} y yoduro de hidrógeno {eq}HI {/eq} sigue siendo la misma.

Por tanto, la expresión para la constante de equilibrio será:

$$K_{eq}=\frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]} $$

Sustituya los valores de {eq}[H_2], [I_2], {/eq} y {eq}[HI] {/eq} en la ecuación:

$$K_{eq}=\frac{(1.37\times 10^{-2})^2}{6.47\times 10^{-3}\times 5.94\times 10^{-4}} \\ \aprox. 48,8$$

Por tanto, el valor de la constante de equilibrio {eq}K_{eq} {/eq} para esta reacción es {eq}48,8 {/eq}, aproximadamente.

Tenga en cuenta que la constante de equilibrio es una cantidad adimensional, es decir, no tiene ninguna unidad.

Resumen de la lección

El equilibrio se puede definir como el estado de un objeto en el que dos o más contrainfluencias, ya sean internas, externas o una combinación de ambas, actúan sobre un cuerpo, anulándose entre sí para mantener el objeto en el mismo estado en que se encuentra. Dependiendo de las características, el equilibrio se puede clasificar en términos generales en equilibrio dinámico y equilibrio estático. Según la posición y la estabilidad de un objeto, el equilibrio se puede clasificar en tres tipos: equilibrio estable, inestable y neutro.

En una reacción química, el equilibrio dinámico se alcanza cuando la velocidad de la reacción directa (los reactivos se combinan para producir productos) y la velocidad de la reacción inversa (los productos se descomponen nuevamente en los reactivos) se vuelven iguales y las concentraciones de los reactivos y los productos siguen siendo las mismas. mismo. Un ejemplo de reacción dinámica es la formación de yoduro de hidrógeno {eq}HI {/eq} mediante la combinación química de hidrógeno {eq}H_2 {/eq} y yodo {eq}I_2 {/eq}. El equilibrio estático en una reacción química es raro. La conversión de diamante en grafito es un ejemplo de reacción química que alcanza el equilibrio estático. La constante de equilibrio es la relación entre el producto de las concentraciones de los productos y el producto de la concentración de los reactivos en la posición de equilibrio. La constante de equilibrio es una cantidad adimensional, es decir, no tiene ninguna unidad.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador