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7.9: Principio de Le Chatelier: el efecto de cambiar las condiciones en los equilibrios

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    Objetivos de aprendizaje
    • Definir el principio de Le Chatelier.
    • Predecir la dirección del cambio para un equilibrio bajo estrés.

    Una vez establecido el equilibrio, la reacción termina, ¿verdad? No exactamente. Un experimentador tiene cierta capacidad para afectar el equilibrio.

    Los equilibrios químicos se pueden cambiar cambiando las condiciones que experimenta el sistema. Decimos que “estresamos” el equilibrio. Cuando enfatizamos el equilibrio, la reacción química ya no está en equilibrio, y la reacción comienza a retroceder hacia el equilibrio de tal manera que disminuye el estrés. A la declaración formal se le llama principio de Le Chatelier: Si se enfatiza un equilibrio, entonces la reacción cambia para reducir el estrés.

    Hay varias formas de estresar un equilibrio. Una forma es agregar o eliminar un producto o un reactivo en una reacción química en equilibrio. Cuando se agrega reactivo adicional, el equilibrio se desplaza para reducir este estrés: hace más producto. Cuando se agrega producto adicional, el equilibrio cambia a reactivos para reducir la tensión. Si se elimina el reactivo o producto, el equilibrio se desplaza para hacer más reactivo o producto, respectivamente, para compensar la pérdida.

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    Dada esta reacción en equilibrio:

    \[N_{2}+3H_{2}\rightleftharpoons 2NH_{3}\nonumber \]

    ¿En qué dirección —hacia los reactivos o hacia los productos— se desplaza la reacción si el equilibrio es estresado por cada cambio?

    1. Se agrega H 2.
    2. Se agrega NH 3.
    3. Se retira el NH 3.
    Solución
    1. Si se agrega H2, ahora hay más reactivo, por lo que la reacción se desplazará hacia productos para reducir el H 2 agregado.
    2. Si se agrega NH 3, ahora hay más producto, por lo que la reacción se desplazará hacia los reactivos para reducir el NH 3 agregado.
    3. Si se retira NH 3, ahora hay menos producto, por lo que la reacción se desplazará hacia productos para reemplazar el producto eliminado.
    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Dada esta reacción en equilibrio:

    \[CO(g)+Br_{2}(g)\rightleftharpoons COBr_{2}(g)\nonumber \]

    ¿En qué dirección, hacia los reactivos o hacia los productos, cambia la reacción si cada cambio estresa el equilibrio?

    1. Se elimina el Br 2.
    2. Se agrega CobR 2.
    RESPUESTAS
    1. hacia los reactivos
    2. hacia los reactivos

    Vale la pena señalar que cuando se agregan o eliminan reactivos o productos, el valor de la K eq no cambia. La reacción química simplemente se desplaza, de manera predecible, para restablecer las concentraciones de manera que la expresión de K eq vuelva al valor correcto.

    ¿Cómo reacciona un equilibrio ante un cambio en la presión? Los cambios de presión no afectan marcadamente a las fases sólida o líquida. Sin embargo, la presión impacta fuertemente en la fase gaseosa. El principio de Le Chatelier implica que un aumento de presión desplaza un equilibrio al lado de la reacción con el menor número de moles de gas, mientras que una disminución de presión desplaza un equilibrio al lado de la reacción con el mayor número de moles de gas. Si el número de moles de gas es el mismo en ambos lados de la reacción, la presión no tiene efecto.

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

    ¿Cuál es el efecto sobre este equilibrio si se incrementa la presión?

    \[N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)\nonumber \]

    Solución

    Según el principio de Le Chatelier, si se incrementa la presión, entonces el equilibrio se desplaza hacia un lado con el menor número de moles de gas. Esta reacción en particular muestra un total de 4 moles de gas como reactivos y 2 moles de gas como productos, por lo que la reacción se desplaza hacia el lado de los productos.

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    ¿Cuál es el efecto sobre este equilibrio si disminuye la presión?

    \[3O_{2}(g)\rightleftharpoons 2O_{3}(g)\nonumber \]

    Contestar

    La reacción se desplaza hacia los reactivos.

    ¿Cuál es el efecto de los cambios de temperatura en un equilibrio? Depende de si la reacción es endotérmica o exotérmica. Recordemos que endotérmico significa que la energía es absorbida por una reacción química, mientras que exotérmica significa que la energía es desprendida por la reacción. Como tal, la energía puede pensarse como un reactivo o un producto, respectivamente, de una reacción:

    endotérmico: energía + reactivos → productosexotérmico: reactantes → productos + energía

    Debido a que la temperatura es una medida de la energía del sistema, el aumento de la temperatura puede pensarse como agregar energía. La reacción reaccionará como si se estuviera añadiendo un reactivo o un producto y actuará en consecuencia desplazándose al otro lado. Por ejemplo, si se aumenta la temperatura para una reacción endotérmica, esencialmente se está agregando un reactivo, por lo que el equilibrio se desplaza hacia los productos. Disminuir la temperatura equivale a disminuir un reactivo (para reacciones endotérmicas) o un producto (para reacciones exotérmicas), y el equilibrio cambia en consecuencia.

    Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

    Predecir el efecto del aumento de la temperatura sobre este equilibrio.

    \[PCl_{3}+Cl_{2}\rightleftharpoons PCl_{5}+60kJ\nonumber \]

    Solución

    Debido a que la energía está catalogada como un producto, se está produciendo, por lo que la reacción es exotérmica. Si la temperatura está aumentando, se está agregando un producto al equilibrio, por lo que el equilibrio se desplaza para minimizar la adición de producto extra: se desplaza de nuevo hacia los reactivos.

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Predecir el efecto de disminuir la temperatura sobre este equilibrio.

    \[N_{2}O_{4}+57kJ\rightleftharpoons 2NO_{2}\nonumber \]

    Contestar

    El equilibrio se desplaza hacia los reactivos.

    En el caso de la temperatura, el valor del equilibrio ha cambiado debido a que el K eq depende de la temperatura. Es por ello que los equilibrios cambian con los cambios de temperatura.

    Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción. En general, un catalizador no es un reactivo y no se agota, pero aún así afecta la rapidez con la que avanza una reacción. Sin embargo, un catalizador no afecta la extensión o posición de una reacción en equilibrio. Ayuda a que una reacción logre el equilibrio más rápido.

    La química está en todas partes: Equilibrios en el jardín

    Las hortensias son plantas con flores comunes en todo el mundo. Si bien muchas hortensias son blancas, existe una especie común (Hydrangea macrophylla) cuyas flores pueden ser rojas o azules, como se muestra en la figura acompañante. ¿Cómo es que una planta puede tener flores de diferentes colores así?

    Un arreglo de hortensias moradas.
    Equilibrios de\(\PageIndex{1}\) jardín de figuras © Thinkstock. Esta especie de hortensia tiene flores que pueden ser rojas o azules. ¿Por qué la diferencia de color?

    Curiosamente, el color de las flores se debe a la acidez del suelo en el que se planta la hortensia. Un jardinero astuto puede ajustar el pH del suelo y cambiar realmente el color de las flores. Sin embargo, no son los iones H + u OH − los que afectan el color de las flores. Más bien, es la presencia de aluminio lo que provoca el cambio de color.

    La solubilidad del aluminio en el suelo, y la capacidad de las plantas para absorberlo, depende de la acidez del suelo. Si el suelo es relativamente ácido, el aluminio es más soluble y las plantas pueden absorberlo más fácilmente. En estas condiciones, las flores de hortensia son azules, ya que los iones Al interactúan con los pigmentos de antocianina en la planta. En suelos más básicos, el aluminio es menos soluble, y bajo estas condiciones las flores de hortensia son rojas. Por lo tanto, los jardineros que cambian el pH de sus suelos para cambiar el color de sus flores de hortensias están empleando el principio de Le Chatelier: la cantidad de ácido en el suelo cambia el equilibrio de la solubilidad del aluminio, lo que a su vez afecta el color de las flores.

    Claves para llevar

    • El principio de Le Chatelier aborda cómo cambia un equilibrio cuando se cambian las condiciones de un equilibrio.
    • La dirección del cambio se puede predecir para los cambios en las concentraciones, la temperatura o la presión.
    • Los catalizadores no afectan la posición de un equilibrio; ayudan a que las reacciones alcancen el equilibrio más rápido.
    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
    1. Definir el principio de Le Chatelier.
    2. ¿Qué se entiende por estrés? ¿Cuáles son algunas de las formas en que se puede enfatizar un equilibrio?
    3. Dado este equilibrio, predecir la dirección del cambio para cada estrés. \[H_{2}(g)+I_{2}(s)+53kJ\rightleftharpoons 2HI(g)\nonumber \]
      1. disminución de la temperatura
      2. aumento de la presión
      3. eliminación de HI
    4. Dado este equilibrio, predecir la dirección del cambio para cada estrés. \[H_{2}(g)+F_{2}(g)\rightleftharpoons 2HF(g)+546kJ\nonumber \]
      1. aumento de la temperatura
      2. adición de H 2
      3. disminución de la presión
    5. Dado este equilibrio, predecir la dirección del cambio para cada estrés. \[2SO_{2}(g)+O_{2}(g)\rightleftharpoons 2SO_{3}(g)+196kJ\nonumber \]
      1. eliminación de SO 3
      2. adición de O 2
      3. disminución de la temperatura
    6. Dado este equilibrio, predecir la dirección del cambio para cada estrés. \[CO_{2}(g)+C(s)+171kJ\rightleftharpoons 2CO(g)\nonumber \]
      1. adición de CO
      2. aumento de la presión
      3. adición de un catalizador
    7. La síntesis de NH 3 utiliza esta reacción química. \[N_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons 2NH_{3}(g)+92kJ\nonumber \]
      Identificar tres tensiones que pueden imponerse en el equilibrio para maximizar la cantidad de NH 3.
    8. La síntesis de CaCo 3 utiliza esta reacción química. \[CaO(s)+CO_{2}(g)\rightleftharpoons CaCO_{3}(s)+180kJ\nonumber \]
      Identificar tres tensiones que pueden imponerse en el equilibrio para maximizar la cantidad de CaCo 3.
    RESPUESTAS
    1. Cuando se enfatiza un equilibrio, el equilibrio cambia para minimizar ese estrés.
    2.  
      1. hacia los reactivos
    • hacia los reactivos
    • hacia los productos
    •  
      1. hacia los productos
      2. hacia los productos
      3. hacia los productos
    •  
    • aumento de presión, disminución de temperatura, eliminación de NH 3

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