6: Química de Equilibrio

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Independientemente del problema en el que esté trabajando un químico analítico, su solución requiere un conocimiento de la química y la capacidad de aplicar ese conocimiento para resolver un problema. Por ejemplo, un químico analítico que está estudiando el efecto de la contaminación en los abetos necesita conocer, o saber dónde encontrar, las diferencias químicas entre el ácido p-hidroxibenzoico y la p-hidroxiacetofenona, dos fenoles comunes que se encuentran en las agujas de los abetos.

La capacidad de “pensar como químico” es producto de tu experiencia en el aula y en el laboratorio. En su mayor parte, el material de este texto asume que está familiarizado con temas tratados en cursos anteriores; sin embargo, por su importancia para la química analítica, este capítulo proporciona una revisión de la química de equilibrio. Gran parte del material de este capítulo debería resultarte familiar, aunque algunos temas —diagramas de escalera y actividad, por ejemplo— probablemente te ofrecen nuevas formas de ver la química del equilibrio.

6.1: Reacciones Reversibles y Equilibrios Químicos
Si bien un sistema en equilibrio aparece estático a nivel macroscópico, es importante recordar que las reacciones hacia adelante y hacia atrás continúan ocurriendo. Una reacción en equilibrio existe en un estado estacionario, en el que la velocidad a la que se forma una especie es igual a la velocidad a la que se consume.
6.2: Termodinámica y Química de Equilibrio
La termodinámica es el estudio de las formas térmicas, eléctricas, químicas y mecánicas de la energía. El estudio de la termodinámica cruza muchas disciplinas, incluyendo física, ingeniería y química. De las diversas ramas de la termodinámica, la más importante para la química es el estudio de cómo cambia la energía durante una reacción química.
6.3: Manipulación de constantes de equilibrio
Podemos aprovechar dos relaciones útiles cuando trabajamos con constantes de equilibrio. Primero, si invertimos la dirección de una reacción, la constante de equilibrio para la nueva reacción es la inversa de la de la reacción original. Segundo, si sumamos dos reacciones para formar una nueva reacción, la constante de equilibrio para la nueva reacción es el producto de las constantes de equilibrio para las reacciones originales.
6.4: Constantes de equilibrio para reacciones químicas
Varios tipos de reacciones químicas son importantes en la química analítica, ya sea en la preparación de una muestra para su análisis o durante el análisis. Las más significativas son las reacciones de precipitación, las reacciones ácido-base, las reacciones de complejación y las reacciones de oxidación-reducción. En esta sección revisamos estas reacciones y sus expresiones constantes de equilibrio.
6.5: Principio de Le Chátelier
La observación de que un sistema en equilibrio responde a una acción externa reequilibrándose de una manera que disminuye esa acción, se formaliza como principio de Le Chatelier.
6.6: Diagramas de escalera
En esta sección presentamos el diagrama de escalera como una sencilla herramienta gráfica para visualizar la química de equilibrio. Utilizaremos diagramas de escalera para determinar qué reacciones ocurren cuando combinamos varios reactivos, para estimar la composición aproximada de un sistema en equilibrio y para evaluar cómo un cambio en las condiciones de la solución podría afectar un método analítico.
6.7: Resolviendo problemas de equilibrio
Los diagramas de escalera son una herramienta útil para evaluar la reactividad química y para proporcionar una estimación razonable de la composición de un sistema químico en equilibrio. Si necesitamos una descripción cuantitativa más exacta de la condición de equilibrio, entonces un diagrama de escalera es insuficiente; en cambio, necesitamos encontrar una solución algebraica. En esta sección aprenderemos a configurar y resolver problemas de equilibrio.
6.8: Soluciones Buffer
Agregar tan poco como 0.1 mL de HCl concentrado a un litro de\(\text{H}_2\text{O}\) desplaza el pH de 7.0 a 3.0. Agregar la misma cantidad de HCl a un litro de una solución que 0.1 M en ácido acético y 0.1 M en acetato de sodio, sin embargo, da como resultado un cambio insignificante en el pH. ¿Por qué estas dos soluciones responden de manera tan diferente a la adición de HCl? Una mezcla de ácido acético y acetato de sodio es un ejemplo de un tampón ácido-base.
6.9: Efectos de la actividad
Mediciones cuidadosas en el complejo metal-ligando\(\text{Fe(SCN)}^{2+}\) sugieren que su estabilidad y, por lo tanto, su constante de equilibrio disminuye en presencia de iones inertes. Entender por qué esto es así es fundamental para desarrollar una comprensión completa de la química de equilibrio.
6.10: Uso de Excel y R para resolver problemas de equilibrio
Al resolver problemas de equilibrio normalmente hacemos suposiciones para simplificar el álgebra. Estas suposiciones son importantes porque nos permiten reducir el problema a una ecuación en la\(x\) que podemos resolver simplemente tomando una raíz cuadrada, una raíz de cubo o usando la ecuación cuadrática. Sin estas suposiciones, la mayoría de los problemas de equilibrio dan como resultado una ecuación de orden superior que es más difícil de resolver. Tanto Excel como R son herramientas útiles para resolver tales ecuaciones.
6.11: Algunas reflexiones finales sobre los cálculos de equilibrio
En este capítulo desarrollamos varias herramientas para evaluar la composición de un sistema en equilibrio. Estas herramientas difieren en la precisión con la que nos permiten responder preguntas que involucran la química de equilibrio. También difieren en lo fáciles que son de usar. Una parte importante de tener varias herramientas para elegir es saber cuándo a cada una es más útil.
6.12: Problemas
Problemas de fin de capítulo para poner a prueba su comprensión de los temas de este capítulo.
6.13: Recursos adicionales
Un compendio de recursos para acompañar temas de este capítulo.
6.14: Resumen de capítulos y términos clave
Resumen de los temas principales del capítulo y una lista de términos clave introducidos en este capítulo.