Equilibrio químico y físico: ejemplos de sistemas en equilibrio dinámico

Empezaremos describiendo tres fenómenos físicos sencillos y un fenómeno químico que nos ayudarán a hacernos una idea de lo que sucede en un sistema en equilibrio: dos procesos opuestos que tienen lugar a velocidades iguales.

Fenómenos Físicos en Equilibrio

1. Cuando un líquido se evapora en un recipiente cerrado, después de un cierto tiempo, las moléculas de vapor se condensan a líquido a la misma velocidad a la que se evaporan las moléculas de líquido. Aunque las moléculas continúan pasando de líquido a vapor y viceversa (un proceso dinámico), la presión ejercida por el vapor permanece constante con el tiempo. La presión de vapor de un líquido es una propiedad asociada a una situación de equilibrio.
2. Cuando un soluto se disuelve en un disolvente, después de un cierto tiempo la velocidad de disolución se iguala exactamente con la velocidad a la que cristaliza el soluto disuelto, es decir, la disolución se satura. Aunque las partículas de soluto continúan pasando de la disolución saturada al soluto sin disolver y viceversa, la concentración del soluto disuelto permanece constante. La solubilidad de un soluto es una propiedad asociada a una situación de equilibrio.
3. Cuando una disolución acuosa de yodo se agita con tetracloruro de carbono puro, CCl₄(l), las moléculas de I₂ se mueven introduciéndose en la capa de CCl₄. Según va aumentando la concentración de I₂ en el CCl₄ la velocidad de retorno del I₂ a la capa de agua va haciéndose importante. Cuando las moléculas de I₂ pasan de uno a otro líquido a la misma velocidad en ambos sentidos, situación de equilibrio dinámico, la concentración de I₂ en ambas capas permanece constante. En este momento el valor de la concentración de I₂ en CCl₄ es aproximadamente 85 veces mayor que en el agua (véase la Figura 15.1). La razón de las concentraciones de un soluto en dos disolventes inmiscibles se llama coeficiente de distribución. El coeficiente de distribución de un soluto entre dos disolventes inmiscibles es una propiedad asociada a una situación de equilibrio.

Fenómenos Químicos en Equilibrio

1. Cuando se calienta el pentacloruro de fósforo, se descompone en los gases, tricloruro de fósforo y cloro: PCl₅(g) -----> PCl₃(g) + Cl₂(g). Considere una muestra de PCl₅(g) que inicialmente ejerce una presión de 1,0 atm en un recipiente cerrado a 250 °C. La presión del gas en el recipiente primero aumenta rápidamente y después, sigue aumentando más lentamente, hasta que alcanza un máximo, con una presión de 1,7 atm y ya no cambia más. Como se producen dos moles de gas por cada mol de PCl₅(g) descompuesto, si la reacción llegase a completarse la presión debería ser de 2,0 atm. Concluimos que la descomposición del PCl₅(g) es una reacción reversible que alcanza el estado de equilibrio.

Las propiedades descritas en las tres situaciones primeras, presión de vapor, solubilidad y coeficiente de distribución, son ejemplos de equilibrio físico. La cuarta es un ejemplo de equilibrio químico. Las cuatro se describen a través de la magnitud general conocida como constante de equilibrio, que se estudia en la siguiente sección.