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Química avanzada (AP Chemistry)
Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 7
Lección 1: Introducción al equilibrioEquilibrio dinámico
Muchos procesos físicos y químicos se pueden revertir. Se dice que el proceso reversible está en equilibrio dinámico cuando los procesos directos e inversos se producen a la misma velocidad, por lo que no se genera ningún cambio visible en el sistema. Una vez que se establece el equilibrio dinámico, las concentraciones o las presiones parciales de todas las especies involucradas en el proceso permanecen constantes. Creado por Jay.
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Transcripción del video
Para ilustrar el concepto de equilibrio,
digamos que tenemos un vaso de precipitados y le agregamos un poco de agua.
Y también nos aseguramos de que nuestro vaso tenga una tapa. Algunas de
esas moléculas de agua se van a evaporar y a convertirse en gas. Y eventualmente,
cuando tengamos suficiente agua gaseosa, parte del agua gaseosa se va a condensar
y se convertirá en agua líquida otra vez. Para representar estos dos procesos, podemos mostrar agua líquida a la
izquierda y agua gaseosa a la derecha. De modo que en el proceso inicial el agua
líquida se convierte en agua gaseosa. Y esta flecha hacia la derecha, representa
el proceso de vaporización. Y cuando el agua gaseosa se convierte de nuevo en agua
líquida, lo que está representado por esta flecha que tenemos aquí en la parte de
abajo, ese es el proceso de condensación. Como empezamos con agua líquida, al principio
la tasa de vaporización es mayor que la tasa de condensación. Pero finalmente llegamos a
un punto en el que la tasa de vaporización es igual a la tasa de condensación. Y cuando eso
sucede, si estamos convirtiendo agua líquida en agua gaseosa y a la misma velocidad estamos
convirtiendo el agua gaseosa en agua líquida, el número de moléculas de agua en estado
líquido y gaseoso permanecen constantes. Así que cuando la tasa de vaporización es igual
a la tasa de condensación, hemos alcanzado un estado de equilibrio. Y este es un equilibrio
dinámico porque si nos acercamos y miramos esto, las moléculas de agua se están convirtiendo
del estado líquido al estado gaseoso todo el tiempo y las moléculas están pasando del estado
gaseoso de nuevo al estado líquido todo el tiempo. Sin embargo, dado que las tasas son
iguales, la cantidad de moléculas en estado líquido y en estado gaseoso se
mantienen constantes. Y si lo miramos desde un punto de vista macroscópico, el
nivel del agua no cambiaría en absoluto. Ahora apliquemos este concepto de equilibrio
dinámico a una reacción química hipotética. En nuestra reacción hipotética, X2, que
es un gas marrón rojizo, se descompone en sus átomos individuales para formar 2X y los
átomos individuales son incoloros. Entonces, en la reacción hacia adelante vamos
de X2 a 2X. X2 se descompone en 2X. Y en la reacción inversa, los dos átomos
de X se combinan para formar X2. Cuando tenemos una reacción hacia adelante y
una reacción inversa, por convención, decimos que lo que está en el lado izquierdo son
los reactantes y lo que está en el lado derecho, son los productos. Y al usar estos
términos, podemos evitar confusiones. Digamos que comenzamos nuestra
reacción solo con reactantes. Entonces, solo X2 está presente en este primer
contenedor. Y hay cinco partículas de X2. Si cada partícula representa 0.1 moles,
ya que tenemos cinco partículas de X2, tenemos 0.5 moles de X2. Y digamos
que este es un recipiente de un litro. 0.5 dividido entre uno sería 0.5 molar.
Entonces, la concentración inicial de gas X2 es 0.5 molar. Y como no tenemos ninguna de
las X, no hay puntos blancos en este contenedor, ¿cierto? La concentración inicial de X sería cero
molar. Así que escribiré eso aquí... 0 Molar. A continuación, esperamos 10 segundos.
Así que comenzamos con un tiempo igual a cero segundos, y ahora estamos
en el tiempo igual a 10 segundos. Y ahora, como podemos observar, hay tres
partículas de X2 en nuestra contenedor. Y eso sería 0.3 molar, así que continuemos y
escribamos 0.3 Molar para nuestra concentración. Y ahora tenemos algunas partículas de X.
Hay una, dos, tres, cuatro partículas. Y una vez más, si cada partícula representa 0.1 moles eso es 0.4 moles de X
dividido por uno o 0.4 Molar. Esperamos otros 10 segundos así que
cuando el tiempo es igual a 20 segundos, hay dos partículas de X2 y una, dos,
tres, cuatro, cinco, seis partículas de X. Así que ahora las concentraciones son
0.2 Molar para X2 y 0.6 Molar para X. Esperamos otros 10 segundos para acumular un
total de 30 segundos. Y todavía quedan dos partículas de X2 y seis partículas de X.
Y entonces las concentraciones después de 30 segundos... la concentración de X2
es 0.2 Molar y la de X es 0.6 Molar. Observemos cómo la concentración de X2 pasó de
0.5 Molar a 0.3 Molar y luego a 0.2, y luego se mantuvo en 0.2 después de 30 segundos. Así que
se volvió constante cuando pasaron 20 segundos. La concentración de X pasó de cero a
0.4, a 0.6 y luego también se mantuvo en 0.6 después de 30 segundos.
Entonces las concentraciones se volvieron constantes cuando el tiempo
transcurrido fue igual a 20 segundos, lo que significa que la reacción alcanzó
el equilibrio después de 20 segundos. Así que cuando el tiempo era igual
a cero, no estaba en equilibrio. Cuando el tiempo era igual a 10
segundos, no estaba en equilibrio. Solo cuando el tiempo fue igual a 20
segundos, la reacción alcanzó el equilibrio. Y en ese equilibrio, la velocidad de
la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción
inversa. Y si eso es cierto, entonces X2 se está convirtiendo en 2X al
mismo ritmo que 2X se vuelve a convertir en X2. Y si esas tasas son iguales, las concentraciones
de X2 y X en equilibrio permanecen constantes. Podemos ver el mismo concepto, si observamos
una gráfica de concentración respecto al tiempo. La concentración de X2 comienza en 0.5 Molar
cuando el tiempo es igual a cero segundos, y luego cae a 0.3 Molar después de 10
segundos. Y después de 20 segundos, está en 0.2 Molar y después
de eso se mantiene constante. Para la concentración de X, comienza en 0 Molar, aumenta a 0.4 después de 10 segundos, luego
llega a 0.6 y luego permanece constante. Entonces, si pensamos en una línea, si dibujamos
una línea discontinua aquí a los 20 segundos, esa es la línea divisoria entre la izquierda, donde
no estamos en equilibrio y así las concentraciones siempre están cambiando y luego, a la derecha
de esa línea punteada, estamos en equilibrio, y aquí las concentraciones permanecen constantes.
De modo que la concentración de equilibrio del gas X2 es igual a 0.2 Molar y la concentración
de equilibrio del gas X es igual a 0.6 Molar. Finalmente, usemos estos diagramas
de partículas para pensar en lo que veríamos a nivel macroscópico mientras
la reacción procede al equilibrio. En el primer diagrama de partículas
solo vemos partículas rojas. Entonces, solo nuestros reactantes X2
están presentes al principio. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo,
la cantidad de partículas rojas disminuye de cinco en el primer diagrama de partículas,
a tres en el segundo, a dos y luego el número permanece en dos porque recuerda que
llegamos equilibrio después de 20 segundos. Entonces, lo que veríamos desde un punto de
vista macroscópico, es que comenzamos con un recipiente de reacción que contiene un gas que
es rojo marrón más oscuro y luego sería rojo marrón más claro. Y luego, finalmente, cuando
se alcanza el equilibrio se volvería de un rojo marrón aun más claro, el cual se mantendría
igual, debido a que habríamos alcanzado el equilibrio y las concentraciones de reactantes
y productos permanecen constantes en equilibrio. A pesar de que nuestros reactantes se
están convirtiendo en nuestros productos, nuestros productos están volviendo a convertirse
en nuestros reactantes a la mismo tasa y por lo tanto las concentraciones tanto de los
reactantes como de los productos son constantes.