Dirección de reacciones reversibles

Como ejemplo de una reacción reversible, veamos la reacción hipotética donde el gas diatómico X2 se convierte en sus átomos individuales X, y se convertirá en dos de ellos. De modo que X2 se conviente en 2X. La reacción hacia adelante consiste en convertir X2 en 2X. Y la reacción inversa consiste en combinar 2X para volver a formar X2. Y digamos que el X2 es un gas de color rojo marrón. Si suponemos que tanto la reacción hacia adelante como la inversa son reacciones elementales, de hecho, podemos determinar la ley de velocidad desde la ecuación balanceada. Así que para la reacción hacia adelante, continuemos y escribamos la velocidad de la reacción hacia adelante, la cual es igual a la constante de velocidad para la reacción hacia adelante, que simbolizaremos como K con el subíndice f (del inglés forward, adelante), por la concentración de —si vamos en la dirección hacia adelante—, los reactantes son X2. Entonces, multiplicamos por la concentración de X2 y como tenemos un coeficiente de 1 delante de X2, para esta reacción elemental, esto se elevaría a la primera potencia. A continuación, podemos escribir la ley de la velocidad para la reacción inversa. Entonces, la velocidad de la reacción inversa es igual a la constante de velocidad, y pondremos aquí un subíndice r (del inglés reverse, inversa). Esa es la constante de velocidad para la reacción inversa. Y en la reacción inversa, 2X se combina para formar X2. y esto lo multiplicamos por la concentración de X. Y como tenemos un 2 como coeficiente, necesitamos elevar la concentración de X a la segunda potencia. A continuación, veamos estos diagramas de partículas y pensemos en lo que sucede con la reacción hacia adelante. Comenzamos en el tiempo igual a cero, y comenzamos solo con X2. De modo que aquí hay cinco partículas de X2. Si esperamos 10 segundos, ahora hemos pasado de 5 partículas de X2 a solo 3 partículas de X2. En general, 2 de esas partículas de X2 se han convertido en X y entonces hay 4 partículas de X en este segundo diagrama de partículas. Esperamos otros 10 segundos para un tiempo total igual a 20 segundos. Y hemos pasado de 3 partículas de X2 a solo 2 partículas de X2, y hemos aumentado las partículas de X. Así que ahora tenemos 6 partículas de X. La concentración de X2 ha disminuido, pasamos de 5 partículas de X2 a 3 partículas de X2 y a solo 2 partículas de X2. Y si miramos la ley de velocidad para la reacción hacia adelante, la velocidad de la reacción hacia adelante es proporcional a la concentración de X2. De modo que si la concentración de X2 disminuye, la velocidad de la reacción hacia adelante también disminuye. Podemos ver el mismo concepto si miramos una gráfica de velocidad en relación con el tiempo. Así que si miramos esta línea que tenemos aquí, estamos comenzando a una cierta velocidad para la reacción hacia adelante. Y a medida que la concentración de X2 disminuye, podemos ver que la velocidad de la reacción disminuye. Y la velocidad de la reacción deja de disminuir cuando el tiempo transcurrido es igual a 20 segundos. A continuación, pensemos en la velocidad de la reacción inversa. Bueno, cuando el tiempo es igual a cero, la velocidad de la reacción inversa es cero. Y eso es porque cuando comenzamos, solo tenemos X2, no tenemos presente ninguna partícula X. De manera que la reacción inversa no ocurre desde el principio, pero tan pronto como algo de ese X2 se convierte en X, es posible que ocurra la reacción inversa. Y a medida que aumentamos la cantidad de X, y vemos nuestra ley de velocidad aquí para la reacción inversa, a medida que aumentamos la concentración de X, la velocidad de la reacción inversa también debe aumentar. Y es por eso que vemos que la velocidad de la reacción inversa aumenta a medida que aumenta el tiempo. De modo que a medida que ocurre la reacción hacia adelante, al mismo tiempo, también ocurre la reacción inversa. Sin embargo, realmente no vemos eso cuando miramos nuestro diagrama de partículas. En nuestros diagramas, vemos una conversión neta de X2 en 2X, por ejemplo, mirando desde el primer diagrama al segundo, vemos que dos partículas de X2 se han convertido en cuatro partículas de X. Y yendo del segundo diagrama al tercer diagrama, vemos que otra partícula de X2 se ha convertido en 2X. Y por lo tanto tenemos seis partículas de X cuando han transcurrido 20 segundos. Dado que vemos una conversión neta de reactantes en productos en nuestro diagrama de partículas, la velocidad de la reacción directa debe ser mayor que la velocidad de la reacción inversa. Y podemos ver eso. Entonces, antes de que el tiempo sea igual a 20 segundos, si miramos nuestras velocidades, escojamos, por ejemplo, el punto en el que el tiempo es igual a 10 segundos, para la reacción hacia adelante, hay una tasa más alta que para la reacción inversa. Entonces, cuando el tiempo es igual a 20 segundos, la velocidad de la reacción hacia adelante se vuelve igual a la velocidad de la reacción inversa. Así que aquí está la línea en nuestra gráfica, donde las velocidades se igualan, y también observemos que las velocidades se vuelven constantes en este punto. Y cuando la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción inversa, la reacción ha alcanzado el equilibrio. Entonces, a la derecha de la línea punteada, la reacción está en equilibrio y a la izquierda de la línea punteada, la reacción no está en equilibrio. Dado que la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción inversa en equilibrio, X2 se está convirtiendo en 2X a la misma velocidad que 2X se convierte de nuevo en X2. Por tanto, las concentraciones de X2 y X en el equilibrio permanecen constantes. Y podemos verlo cuando miramos los diagramas de partículas donde el tiempo es igual a 20 segundos, y el tiempo es igual a 30 segundos. Así que estos dos diagramas tienen 2 partículas X2 y 6 partículas X. La velocidad de la rxn hacia adelante es mayor que la velocidad de la rxn inversa Hay una conversión neta de reactantes en productos La velocidad de la rxn hacia adelante es igual que la velocidad de la rxn inversa La reacción está en equilibrio y no hay cambio neto en R o P La velocidad de la rxn inversa es mayor que la velocidad de la rxn hacia adelante. Hay una conversión neta de productos en reactantes. Veamos un resumen de lo que significan las velocidades de las reacciones hacia adelante e inversa en términos de reactantes y productos. Si la velocidad de la reacción hacia adelante es mayor que la velocidad de la reacción inversa, eso significa que hay una conversión neta de reactantes en productos. Por lo tanto, con el tiempo, la cantidad de reactantes disminuiría y aumentaría la cantidad de productos. Eventualmente, la velocidad de la reacción hacia adelante se vuelve igual a la velocidad de la reacción inversa y eso significa que la reacción está en equilibrio y no hay cambio neto en las cantidades de reactantes o productos. Entonces, los reactantes se están convirtiendo en productos a la misma velocidad que los productos se están convirtiendo en reactantes. Finalmente, si la velocidad de la reacción inversa es mayor que la velocidad de la reacción hacia adelante, hay una conversión neta de productos en reactantes. Entonces los productos se están convirtiendo en reactantes más rápido de lo que los reactantes se convierten en productos. En el ejemplo que vimos, la velocidad de la reacción hacia adelante fue mayor que la velocidad de la reacción inversa. Y eventualmente las velocidades se volvieron iguales y la reacción alcanzó el equilibrio. Si hubiéramos visto un ejemplo de este tercer caso donde la velocidad de la reacción inversa es mayor que la velocidad de la reacción hacia adelante, tarde o temprano las dos velocidades se volverían iguales y esta reacción también alcanzaría el equilibrio.