Quimica

INTRODUCCION AL EQUILIBRIO QUIMICO




EQUILIBRIO QUÍMICO

[pic]
En este tema vamos a estudiar el modo en que un sistema alcanza el equilibrio material, pero centrándonos en las causas por las que cambia la composición química del sistema hasta alcanzar el equilibrio químico. Estudiaremos desde un punto de vista termodinámico las reacciones químicas, que son procesos irreversibles, aunquenos centraremos en el análisis del sistema una vez alcanzado el equilibrio, y en cómo podemos modificar las condiciones de trabajo con el fin de obtener mayor o menor cantidad de productos.
En un sistema en el que puede cambiar la composición, las condiciones de espontaneidad y equilibrio vienen dadas por las ecuaciones de Gibbs. Y en el caso más sencillo, que es suponer un sistema cerrado y deuna sola fase, en el que sólo sea posible realizar un trabajo P-V, y que se encuentre en equilibrio térmico y mecánico, la condición de equilibrio material dada por la expresión:
|[pic] |  |sistema cerrado, una sola fase, sólo trabajo P-V y en equilibrio |
| | |térmico (dT=0) y mecánico (dP=0) |


Por simplicidad,para estudiar cómo se alcanza el equilibrio químico vamos a suponer que realizamos la siguiente reacción:
[pic]
Supongamos que partimos de un sistema en el que se mezclan distintas sustancias químicas y que al hacer la mezcla, el sistema no está en equilibrio. Supongamos que la cantidad inicial de A es nA0, la de B nB0, y la de C nB0. Al mezclar dichas sustancias se produce una reacción entreellas, formándose ciertas cantidades de las sustancias D y E. Para saber que cantidades de reactivos se han consumido definimos el grado de avance de la reacción ξ, de modo que cuando a moles de A, b moles de B y c moles de C hayan reaccionado para dar d moles de D y e moles de E, el grado de avance de la reacción será 1. Por lo tanto en cualquier momento nosotros podemos calcular el número de molesde cada una de las sustancias.
|Por ejemplo para la sustancia A se aplicaría la ecuación: |[pic] |y de forma general para cualquiera |
|de las sustancias que intervienen en la reacción: |[pic] |


Si diferenciamos esta última ecuación, como las cantidades iniciales de reactivos o productos en lamezcla de reacción, ni0, son constantes y ξi también es constante, se obtiene: [pic]. Y sustituyendo esta expresión en la condición de equilibrio material se obtiene [pic]y como debe cumplirse para cualquier valor infinitesimal de dξ se tiene que:
 
| |[pic] |condición de equilibrio químico en un sistema |
| ||cerrado, una sola fase, sólo trabajo P-V y en |
| | |equilibrio térmico (dT=0) y mecánico (dP=0) |


 
Por simplicidad, vamos a comenzar por estudiar equilibrios químicos en mezclas de gases ideales.
Para estudiar como se alcanza el equilibrio químico de forma isotérmica en una mezcla de gases ideales, debemos recordar queel potencial químico de cada uno de los gases que componen la mezcla es: [pic]

Equilibrio químico en una mezcla de gases ideales:

Si estudiamos una mezcla reactiva de gases ideales una vez que se ha alcanzado el equilibrio termodinámico, veremos que debe satisfacerse la condición de equilibrio térmico, la condición de equilibrio mecánico y la condición de equilibrio químico que viene dadapor [pic]
|Si por ejemplo analizamos la reacción |[pic] |una vez alcanzado el equilibrio químico, debe |
|cumplirse que a una T dada, |[pic] |


[pic]
Y al reordenar términos,
[pic]
El primer término de la ecuación en realidad es la variación de energía de Gibbs...