Solubilidad del dióxido de carbono en agua: condiciones y principio de LeChatelier

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Fenómenos comunes

Los científicos han observado que el océano se vuelve más ácido a medida que aumenta la cantidad de dióxido de carbono, CO 2 , debido a la actividad humana. ¿Qué tiene esto que ver con que el refresco se desinfle después de abrirlo? ¡Bastante resulta! Ambos fenómenos ocurren porque la cantidad de CO 2 que se disuelve en el agua depende de las condiciones del sistema. ¿Cuál es la temperatura del agua, la presión del aire sobre el agua o la concentración de ácido en el sistema que estamos examinando? Podemos usar la ecuación química que describe la reacción del CO 2 y el agua junto con el principio de LeChatlier para hacer predicciones sobre cómo responderá el sistema cuando cambien las condiciones. Es una herramienta simple pero poderosa que los químicos usan todos los días.

Equilibrio químico

Antes de discutir el principio de LeChatlier y cómo un sistema responde a los cambios, necesitamos describir el sistema. Hacemos esto a través de una ecuación química que incluye los estados de la materia para cada compuesto. Echemos un vistazo a la ecuación química que describe el dióxido de carbono, CO 2 disolviéndose en agua. Las letras entre paréntesis indican el estado de la materia de cada compuesto, siendo g gas, l líquido y aq acuoso o disuelto en agua.

Ecuación química que describe la disolución del CO2 en agua

Observe que la ecuación incluye una flecha doble. Esto significa que la reacción puede proceder en ambas direcciones. En un momento dado están presentes los tres compuestos. Al observar una reacción de equilibrio, debe pensar en una imagen mental de un sistema que incluya todos los compuestos presentes. En este sistema, podría imaginarse un vaso de precipitados de agua, H 2 O, que contiene moléculas de ácido carbónico disuelto, H 2 CO 3 , sumergido en el agua. Por encima de la solución habría moléculas de CO 2 gaseosas que pueden golpear la superficie del agua. Los gases tienen bastante energía cinética y estas moléculas de CO 2 golpearían la superficie del agua y reaccionarían para disolverse H 2 CO 3. En esta situación, diríamos que la reacción anterior avanza hacia la derecha. De manera similar, el H 2 CO 3 en la superficie de la solución puede escapar a la fase gaseosa convirtiéndose en CO 2 , dejando una molécula de H 2 O detrás. En esta situación, diríamos que la reacción anterior avanza hacia la izquierda.

Cuando las condiciones del sistema, temperatura, presión y concentración, son constantes y no cambian, el sistema alcanzará lo que se llama equilibrio dinámico. Los componentes seguirán reaccionando y cambiando a nivel molecular. Algo de CO 2 entrará en contacto con el agua y se convertirá en H 2 CO 3 acuoso y algo de H 2 CO 3 saldrá de la solución de agua como CO 2 . Sin embargo, estos cambios ocurrirán al mismo ritmo, de modo que para un observador en el laboratorio que no puede decir que una molécula de CO 2 diferente acaba de reemplazar a la que salió, parece que nada está cambiando. La cantidad total de cada componente es constante, por lo que está en equilibrio.. Sin embargo, debido a que el sistema todavía está en constante movimiento a nivel molecular, este es un equilibrio dinámico .

Principio de LeChatlier y respuesta al estrés

Ahora que podemos describir nuestro sistema en condiciones constantes, podemos usar el principio de LeChatlier para describir cómo responderá el sistema a un estrés o un cambio repentino en las condiciones. Al pensar en el principio de LeChatlier, es útil utilizar un modelo en el que pensemos en la ecuación de equilibrio químico como un balancín. Los reactivos están en el lado izquierdo del balancín, las flechas están en el punto de apoyo y los productos están en el lado derecho del balancín. A medida que hacemos hincapié en el sistema, un lado del balancín sube y la reacción avanza en la dirección hacia abajo del balancín para llegar a un nuevo equilibrio dinámico.

Veamos este modelo para el sistema de agua y CO 2 .

balancín que muestra el CO2 en el equilibrio del agua

Cambios de presión

¿Qué sucede cuando aumentamos la presión del gas sobre el sistema? El aumento de la presión del CO 2 gaseoso por encima de la solución de agua haría que el sistema tuviera acceso a más gas CO 2 . Más moléculas de CO 2 estarían cerca de la superficie del agua listas para reaccionar. Pensando en nuestro modelo de balancín, el estrés, el cambio de presión, provoca un aumento de reactivos. Podemos pensar en el lado izquierdo de nuestro balancín subiendo. Luego, la reacción desciende por el balancín para llegar a un nuevo equilibrio, por lo que se mueve hacia la derecha, produciendo más ácido carbónico, H 2 CO 3 . Entonces, concluiríamos que aumentar la cantidad de CO 2 , al aumentar la presión, provoca un aumento del ácido carbónico disuelto.

aumento del modelo de CO2

Cambios en la concentración

¿Qué pasaría si agregamos ácido carbónico al sistema? Un aumento en la concentración de ácido carbónico haría que el lado derecho, el lado de los productos, de nuestro balancín subiera. La reacción entonces procederá hacia la izquierda, bajando por el balancín para llegar a un nuevo equilibrio. Entonces, concluiríamos que un aumento en la concentración de ácido carbónico causaría un aumento en el gas CO 2 que se produce por encima de nuestra solución.

aumento de la concentración de ácido

Cambios de temperatura

Para describir la respuesta del sistema con cambios de temperatura, no podemos usar directamente el principio de LeChatlier. Sin embargo, podemos pensar en la reacción de equilibrio y lo que sabemos sobre cómo se comportan los gases con los cambios de temperatura. Los solutos sólidos, como el azúcar o la sal, tienden a ser más solubles en agua con un aumento de temperatura. Probablemente ya lo sepas. Si quieres disolver más azúcar en agua, ¡calientas tu solución! Sin embargo, los gases se comportan de manera diferente. A medida que aumenta la temperatura de un gas, acelera el movimiento de las moléculas, esto hace que sea menos probable que permanezcan en solución y más probabilidades de que se aceleren a la fase gaseosa. Entonces, a medida que aumenta la temperatura, la reacción de equilibrio avanza hacia más gas y menos ácido carbónico disuelto. Entonces, diríamos que la reacción avanza hacia la izquierda a medida que aumenta la temperatura.

Resumen de la lección

Las reacciones que pueden proceder en ambas direcciones llegan a un equilibrio dinámico . El principio de LeChatlier se puede utilizar para predecir la respuesta de estas reacciones a un estrés o un cambio en las condiciones del sistema químico. Para el CO 2 disuelto en agua, vimos que un aumento en la presión causa un aumento en el ácido carbónico disuelto, un aumento en la concentración de ácido carbónico resultó en la producción de más gas CO 2 y un aumento en la temperatura causó un aumento en el gas CO 2 a medida que disminuía la solubilidad.