Fundamentos de Equilibrio Químico y Termodinámica: Conceptos Esenciales

Principio de Le Chatelier

El Principio de Le Chatelier establece que si se aplica una perturbación (cambio de concentración, presión, volumen o temperatura) a un sistema en equilibrio, este se desplazará en la dirección que minimice dicha perturbación.

Efecto de la Presión y el Volumen

• Si se disminuye el volumen (lo que conlleva un aumento de la presión total), la reacción se desplazará hacia el lado donde exista un menor número de moles gaseosos.
• Si se aumenta el volumen (lo que conlleva una disminución de la presión total), la reacción se desplazará hacia el lado donde exista un mayor número de moles gaseosos.

Efecto de la Temperatura

La temperatura afecta tanto la posición del equilibrio como el valor de la constante de equilibrio (K_eq).

Reacciones Exotérmicas (ΔH < 0)

En una reacción exotérmica, el calor se considera un producto.

• Si se aumenta la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda (hacia los reactivos), disminuyendo la concentración de productos y aumentando la de reactivos. Esto resulta en una disminución de la constante de equilibrio (K_eq).
• Si se disminuye la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (hacia los productos), aumentando la concentración de productos y disminuyendo la de reactivos. Esto resulta en un aumento de la constante de equilibrio (K_eq).

Reacciones Endotérmicas (ΔH > 0)

En una reacción endotérmica, el calor se considera un reactivo.

• Si se aumenta la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (hacia los productos), aumentando la concentración de productos y disminuyendo la de reactivos. Esto resulta en un aumento de la constante de equilibrio (K_eq).
• Si se disminuye la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda (hacia los reactivos), aumentando la concentración de reactivos y disminuyendo la de productos. Esto resulta en una disminución de la constante de equilibrio (K_eq).

Termodinámica Química

Espontaneidad de las Reacciones

Para predecir si una reacción es espontánea, es fundamental conocer el valor de la energía libre de Gibbs (ΔG). Una reacción será espontánea cuando ΔG < 0.

El valor de ΔG se determina mediante la expresión:

ΔG = ΔH - TΔS

Donde:

• ΔG: Cambio en la energía libre de Gibbs (en Joules o kJ).
• ΔH: Cambio en la entalpía (calor de reacción, en Joules o kJ).
• T: Temperatura absoluta (en Kelvin).
• ΔS: Cambio en la entropía (desorden del sistema, en Joules/Kelvin o kJ/Kelvin).

Para calcular ΔG, es necesario conocer el valor de la entropía (ΔS) del sistema.

Efecto de la Temperatura en la Espontaneidad

Un aumento de la temperatura (T) puede afectar la espontaneidad de una reacción, especialmente cuando el cambio de entropía (ΔS) es significativo.

A medida que la temperatura (T) aumenta, el término TΔS en la ecuación de Gibbs (ΔG = ΔH - TΔS) se vuelve más dominante. Si ΔS es positivo (aumento del desorden), un incremento de T hará que -TΔS sea más negativo, favoreciendo la espontaneidad (ΔG más negativo). Sin embargo, si ΔS es negativo (disminución del desorden), un incremento de T hará que -TΔS sea más positivo, lo que puede llevar a que ΔG se vuelva positivo y, por lo tanto, la reacción deje de ser espontánea.

Por ejemplo, en una reacción donde ΔH > 0 (endotérmica) y ΔS > 0, un aumento de la temperatura puede hacer que el término TΔS supere a ΔH, resultando en un ΔG negativo y, por lo tanto, una reacción espontánea a altas temperaturas.

Fórmulas Clave en Química

• Presión Parcial (P_i): La presión parcial de un gas en una mezcla se puede calcular como:

  Pi = Xi * Ptotal

  Donde Xi es la fracción molar del componente i y Ptotal es la presión total de la mezcla gaseosa.

• Relación entre K_p y K_c:

  Kp = Kc (RT)Δn

  Donde:

  • K_p: Constante de equilibrio en términos de presiones parciales.
  • K_c: Constante de equilibrio en términos de concentraciones molares.
  • R: Constante de los gases ideales (0.0821 L·atm/(mol·K) o 8.314 J/(mol·K)).
  • T: Temperatura absoluta (en Kelvin).
  • Δn: Cambio en el número de moles de gas (moles de productos gaseosos - moles de reactivos gaseosos).
• Ley de los Gases Ideales para un Componente (o Presión Parcial):

  PiV = niRT o Pi = (ni/V)RT = CiRT

  Donde ni es el número de moles del componente i y Ci es su concentración molar.

Propiedades Atómicas Fundamentales

Energía de Ionización

Es la energía mínima necesaria que hay que suministrar a un átomo de un elemento en estado gaseoso para remover el electrón más externo (o el de menor energía de enlace).

Afinidad Electrónica

Es la tendencia de un átomo a ganar un electrón en estado gaseoso, liberando o absorbiendo energía en el proceso.

Electronegatividad

Es la tendencia relativa de un átomo en una molécula a atraer hacia sí los electrones de un enlace químico. Un elemento con mayor electronegatividad tendrá una mayor tendencia a capturar un electrón para adquirir la configuración electrónica de un gas noble.

Consideraciones Adicionales en Termodinámica

La relación entre el calor a volumen constante (Q_v, que es igual a ΔU, el cambio en la energía interna) y el calor a presión constante (Q_p, que es igual a ΔH, el cambio en la entalpía) se establece mediante la siguiente ecuación para procesos que involucran gases:

ΔH = ΔU + ΔngasRT

Donde:

• Δn_gas: Incremento de moles gaseosos (moles de productos gaseosos - moles de reactivos gaseosos).
• R: Constante de los gases ideales (8.314 J/(mol·K)).
• T: Temperatura absoluta (en Kelvin).

Nota: La constante R=8.2 mencionada en el texto original es una aproximación o un valor incorrecto para J/(mol·K). El valor estándar es 8.314 J/(mol·K). La temperatura de 298 K es la temperatura estándar (25 °C).

Cálculo de la Energía Libre de Gibbs (ΔG)

Para calcular la espontaneidad de una reacción, se utiliza la ecuación ΔG = ΔH - TΔS. Si se proporcionan los valores de entalpía (ΔH) y entropía (ΔS), y la temperatura (T), se puede determinar ΔG.

Es crucial asegurarse de que las unidades de ΔH y TΔS sean consistentes (ambas en Joules o ambas en kilojoules). Si ΔH se da en kJ/mol y ΔS en J/(mol·K), es necesario convertir una de ellas para que coincidan, por ejemplo, multiplicando ΔS por 1000 para obtener kJ/(mol·K) o ΔH por 1000 para obtener J/mol.

Si los valores de entalpía y entropía se refieren a la reacción global, se suman los valores correspondientes a los productos y se restan los de los reactivos, teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos de la ecuación balanceada. Una vez obtenidos ΔH y ΔS para la reacción, se sustituyen en la ecuación de Gibbs para calcular ΔG y determinar la espontaneidad.