Equilibrio químico: desarrollo y aplicaciones

La teoría de las afinidades

Los científicos solían pensar que la afinidad entre dos moléculas es lo que determina si reaccionan entre sí o no. Esta teoría de la afinidad fue desarrollada por Isaac Newton a principios del siglo XVIII. Según esta teoría, dos compuestos reaccionarían porque las moléculas dentro de los productos tenían una afinidad más fuerte entre sí que las moléculas dentro de los reactivos.

Para ayudar a comprender esta teoría, se hicieron tablas de afinidad para ver cómo reaccionarían los compuestos con otros compuestos. Durante el siglo XVIII, científicos como TO Bergman empezaron a darse cuenta de que estas reacciones cambiarían según la temperatura, la solubilidad y otros factores. Sin embargo, durante la mayor parte del siglo, la idea de afinidad fue la teoría predominante.

A principios del siglo XIX, Claude Louis Berthollet , un químico francés, hizo un descubrimiento que comenzó a cambiar la teoría de la afinidad. Un problema con esta teoría es que no permite una reacción inversa. Si los productos tienen una mayor afinidad entre sí, entonces los productos nunca revertirían la reacción y formarían los reactivos.

Berthollet observó reacciones que ocurren en los lagos de Egipto. De acuerdo con las leyes de afinidad, esperarían ver una reacción en la que el carbonato de sodio y el cloruro de calcio reaccionen para formar carbonato de calcio y cloruro de sodio. Sin embargo, en estos lagos, se formaría carbonato de sodio a partir de carbonato de calcio y cloruro de sodio. Berthollet intentó encajar este descubrimiento en la comprensión actual de la teoría de las afinidades. Explicó esto diciendo que las altas concentraciones de cloruro de sodio y carbonato de calcio llevaron a la reacción a formar cloruro de calcio y carbonato de sodio.

La media flecha apuntando en ambas direcciones indica que esta reacción es reversible

Aunque en este punto los químicos continuaron explicando lo que estaban viendo en términos de la teoría de las afinidades, este todavía era un descubrimiento importante porque mostró que las reacciones pueden suceder al revés.

Equilibrio químico

Cuando los primeros químicos estudiaban las reacciones, se centraban en las reacciones entre ácidos, bases y sus sales. Bethelot y Saint-Gilles (dos químicos franceses más) se preguntaron cómo cambiaría su comprensión de las reacciones si observaran reacciones más lentas. Las reacciones entre los ácidos y las bases ocurren tan rápidamente que puede ser difícil ver qué está ocurriendo realmente.

Así que analizaron las reacciones de esterificación, lo que les permitió observar lo que sucedía en la reacción a medida que avanzaba la reacción. Estos experimentos ayudaron a los científicos a desarrollar la idea de la velocidad de las reacciones y las reacciones que ocurren simultáneamente en ambas direcciones.

Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage (dos químicos noruegos) utilizaron estos experimentos para desarrollar una fórmula matemática que hoy describe la ley del equilibrio químico. Esta ley explica que la concentración de componentes es importante para determinar en qué dirección ocurrirá una reacción. Esta fórmula determina la constante de equilibrio de una reacción.

Comenzamos con una ecuación química balanceada. Aquí hay una ecuación química balanceada general:

En este ejemplo, las letras minúsculas se refieren al número de moles de cada uno, mientras que las letras mayúsculas se refieren a una molécula específica. Entonces, la constante de equilibrio, K, se puede determinar usando la siguiente fórmula:

Los corchetes alrededor de las moléculas se refieren a la concentración de cada una.

Principio de Le Chatelier

Cerca del final del siglo XIX, Henry-Louis Le Chatelier (un químico francés) hizo un descubrimiento importante . Determinó que las reacciones quieren alcanzar el equilibrio , que es cuando las fuerzas de la reacción están equilibradas, y que el equilibrio puede verse afectado por tres principios:

• Concentración (de productos y reactivos)
• Temperatura
• Presión

Al alterar cualquiera de estos principios, podemos cambiar el equilibrio. Por ejemplo, si seguimos eliminando uno de los productos de una reacción, la reacción seguirá avanzando.

Usar hoy

Hoy en día, el equilibrio químico se utiliza en muchas aplicaciones diferentes. Veamos la producción de cal, que se usa en concreto, refinado de azúcar y muchas otras cosas. La cal es óxido de calcio (CaO) o hidróxido de calcio (Ca (OH) 2 ).

El óxido de calcio se obtiene calentando carbonato de calcio. Recuerde que una de las cosas que puede impulsar una reacción es la adición de calor; esta es una reacción que requiere ese calor para que ocurra. Cuando se calienta el carbonato de calcio, se forman óxido de calcio y dióxido de carbono. Al eliminar continuamente el gas de dióxido de carbono, la reacción avanza porque los componentes nunca están en equilibrio.

Esta misma idea de eliminar uno de los productos es un método común para impulsar una reacción en la industria.

Resumen de la lección

Durante el siglo XVIII, la teoría predominante sobre cómo se producen las reacciones químicas fue la teoría de la afinidad. Esta teoría argumentó que las reacciones ocurren porque las moléculas tienen una mayor afinidad con algunas moléculas que con otras. A principios del siglo XIX, un químico francés, Berthollet , descubrió que las reacciones también pueden ocurrir al revés. Debido a que esto contradecía algunas de las predicciones de la teoría de la afinidad, fue un paso importante hacia la comprensión final del equilibrio químico.

A lo largo del siglo XIX, varios otros químicos realizaron experimentos que midieron el cambio en productos y reactivos, y utilizaron estas reacciones para desarrollar una fórmula para el equilibrio químico a mediados del siglo XIX. A finales del siglo XIX, otro químico francés, Le Chatelier , descubrió tres principios que afectan el equilibrio:

• Presión
• Temperatura
• Concentración

Estos principios se utilizan hoy en día en la fabricación para impulsar las reacciones para hacer cosas como la cal.